Расчет спирального аппарата подогрева воды

 

 

1. Задание на проект.

 

Рассчитать и спроектировать спиральный теплообменный аппарат  для подогрева воды.

1. Производительность по готовому продукту – G;

2. Начальная температура теплоносителя - t_н;

3. Конечная температура теплоносителя – t_к;

4. Давление – P.

Данные	Размеры	Числ.значение
G	кг\час	20 000
tн	0С	51
tк	0С	80
Р	атм	2,6

 

2. Место аппарата и процесса на производстве.

 

       Одним из наиболее распространенных процессов на производстве в пищевой промышленности является процесс нагрева посредством теплообмена.

       Нагрев материала – это сложный процесс, в результате которого материалу передается определенное количество тепла, необходимое для нагрева материала. Для обеспечения высокого качества нагрева материала выбор способа и режима обмена теплообмена производится с учетом свойств самого материала, закономерностей их измерения при нагреве материала.

       Конструкция теплообменных аппаратов зависит от свойств нагреваемых материалов, их агрегатного состояния, требуемой производительности.

      Существуют различные виды теплообменных аппаратов, используемых в пищевой промышленности: кожухотрубные, змеевиковые, «труба в трубе», спиральные.

Спиральные  теплообменные аппараты целесообразнее всего использовать при большой  производительности процесса. Этот вывод  можно сделать по ряду преимуществ, которые он имеет по сравнению  с другими теплообменниками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление.

 

1. Задание на проект

2. Место аппарата и процесса на производстве

3. Обоснование выбора типа аппарата

4. Обоснование выбора направления теплоносителей.

5. Расчетная часть

5.1. Тепловой расчет

5.2.Конструктивный расчет

5.3. Механический расчет

5.4. Гидравлический расчет

5.5. Расчет тепловой изоляции

5.6. Литература

6. Графическая часть

1 лист – общий вид

 

3. Обоснование выбора типа аппарата.

Спиральный теплообменный аппарат  имеет ряд преимуществ по сравнению  с другими теплообменными аппаратами:

1. Компактность, а, следовательно, экономия расхода металла на изготовление теплообменного аппарата.

2. Малый расход металла на единицу передаваемого тепла.

3. Малый объем на один квадратный метр теплообменной поверхности.

4. Возможность получения больших скоростей в спиралях.

5. Осуществление чистого противотока.

 В технологическом  отношении спиральный теплообменник  полностью удовлетворяет удобству и возможности изготовления из стали и пластических материалов и частично удовлетворяет возможности изготовления из хрупких материалов.

В качестве горячего теплоносителя  выбираем пар, который поступает  в теплообменник под определенным давлением.

 

4. Обоснование выбора направления движения.

Спиральные теплообменные аппараты могут работать по принципу прямотока  и противотока. В нашем случае теплообменник работает по принципу противотока, т.е. направление движенияматериала противоположно направлению движения горячего теплоносителя.

Горячий теплоноситель подается в  нашем теплообменнике через патрубок, приваренный к крышке. Этим мы обеспечиваем уменьшение потерь тепла в окружающую среду и меньшие затраты средств  и труда на изоляцию теплообменного аппарата, так как изолировать  нам придется одну только крышку.

Холодный теплоноситель подается в теплообменник сбоку, тем самым  также обеспечивая уменьшение потерь тепла в окружающую среду, так  как он будет двигаться по внешнему витку спирали, являющемуся одновременно и корпусом теплообменника.

Сконденсированный пар будет стекать  на дно теплообменника, и затем  удаляться через патрубок, приваренный  ко дну теплообменного аппарата. Это  даст нам экономию электроэнергии, так как не потребуется насосов  для откачки конденсата из теплообменного аппарата.

 

5. Расчетная часть.

5.1. Тепловой расчет.

1. По давлению пара (Р = 2,6 атм) определим по таблице его температуру t_н=128,73 ⁰С.

Определим разность температур теплоносителей и ее изменение вдоль  поверхности нагрева.

 

.

Рис. 1. График изменения температуры теплоносителей в процессе теплообмена.

t₁^н и t₁^к - температура горячего теплоносителя;

  t₂^н и t₂^к - температура холодного теплоносителя.

Средняя разность температур:

 

2. Определим расход воды:

 

 

 

 

3. Рассчитаем расход тепла на нагрев воды:

 

С₂ – теплоемкость воды;

t₂^н - начальная температура воды;

t₂^к - конечная температура воды.

 

 

 

4. Расход сухого греющего пара с учетом 7 % потерь теплоты:

 

r – удельная теплота парообразования, кДж/кг.

              [1].

Удельную  теплоту парообразования находим  в таблице по давлению пара (Р=2,6 атм).

 

5. Коэффициент теплоотдачи для пара:

 

Для вертикальных теплообменных аппаратов А=1,15.

Примем

 

 

Н – высота теплообменного аппарата, Н = 1,0 м;

r – удельная теплота парообразования, кДж/кг;

r = 2178 кДж/кг, при t=128,73 ⁰С;

r = 2184 кДж/кг, при t=126,73 ⁰С;

 плотность пленки конденсата, кг/м³; ;

 коэффициент теплопроводности  пленки конденсата, ;

 

 

.

Примем  теперь Н=0,6 м, засчет этого у нас изменится , оно увеличится, а следовательно увеличится и «К».

 

 

 

 

6. Коэффициент теплоотдачи для воды ().

Этот коэффициент мы определяем из критериального уравнения:

 

Принимаем .

 

скорость  движения теплоносителя в аппарает, м/с;

  эквивалентный диаметр, м;

  коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

 

 

 значит режим  турбулентный.

При турбулентном режиме критерий Нуссельта определяется по следующей  формуле:

 

 критерий Рейнольдса, который характеризует режим движения теплоносителя.

критерий Прандтля, который характеризует физические свойства теплоносителя.

.

С – удельная теплоемкость теплоносителя, ;

 

 коэффициент  теплопроводности теплоносителя,  ;

 ;

 

;

 

 

 

 

 

 

7. Коэффициент теплопередачи «К»:

 

 

=3 мм= 0,003 м;

- выбираем материал, обладающий  хорошей теплопроводностью.

 

 

 

0,00018   .

0,00009   .

 

 

8. Площадь поверхности теплообмена.

 

 

расход теплоты на нагрев воды, Вт.

К – коэффициент теплопередачи.

.

 

5.2. Конструктивный расчет.

1. Определим расстояние между соседними витками спирали.

Расстояние между соседними  витками спирали рассчитываем с  ранее принятыми нами скоростью  теплоносителя ( и шириной спирали, которая равна высоте теплообменника (В_сп = 0,6 м = Н).

;

V – расход теплоносителя, V = 0,0057 м³/с.

 

С учетом креплений ширина спирали, участвующей  в теплообмене:

 

2.  Рассчитываем шаг навивки спирали:

 

толщина листа для стали

3. Рассчитываем радиус для первых витков спирали:

 

d_o-начальный диаметр спирали;

.

Принимаем

;

 

4. Определим полезную длину спирали:

 

 

5. Определим число витков:

 

6. Определим наружный диаметр аппарата:

 

 

5.3. Механический расчет.

5.3.1. Расчет толщины спирали:

 

 

 

р –внутреннее изыточное давление в корпусе, кг/см²;

С_см – прибавка к расчетной толщине стенки;

 коэффициент прочности  сварного шва, кг/см²;

допускаемое напряжение, кг/см²;

;

 

предел прочности,          

запас прочности,

 

 

 

 

 

5.3.2. Расчет прокладок на невыдавливание из фланцевого соединения:

- внутренний диаметр прокладки – 0,370 мм;

- толщина – ;

- ширина -

Удельное  давление на прокладки из резины -

Полная  сила, выдавливающая прокладки из фланца:

 

p=4,16 кг/см²;   Д_в =0,370 м;    

 

 

Сила  трения:

 

N – общая сила нормального давления;

f – коэффициент трения,

F₂ – поверхность прокладки, см.

;

 

 

Т >P;   34,63  > 1,45.

Отсюда  можно сделать вывод, что прокладка  не будет выдавливаться из фланцевого соединения.

 

5.3.3. Расчет днища и крышки.

Горячий теплоноситель подается у  нас в аппарат через патрубок, приваренный к крышке. Пар подается в аппарат под давлением Р=2,6 атм. В аппарате создается избыточное давление, и нам важно, чтобы под этим давлением не оборвало крышку в аппарате. Делая крышку выпуклой, мы тем самым обеспечиваем достаточную надежность теплообменного аппарата.

Днище же можно сделать плоским, так как конденсат и нагретый материал на выходе из аппарата не будут  иметь такого большого давления как  пар на выходе в аппарат.

5.3.3.1. Расчет выпуклой крышки:

 

p =4,16 кг/см²;

Д_н = Д_кр = 373 мм;

К =2,0 – фактор формы днища;

 

 коэффициент прочности сварного шва;

С – прибавка к расчетной толщине.

 

 

h – не менее 0,2 Д_н;       

r_н  -не менее 0,1 Дн;

r_н  -радиус переходящей дуги,

 

Рис.2. Выпуклая крышка.

5.3.3.2. Расчет плоского днища:

 

 р =4,16 кг/см²;  

 Д_в= 370 мм= 37,0 см;

 

коэффициент, зависящий  от конструкции крышки и способа  ее закрепления.

 

 

 

5.3.3.3. Расчет болтов фланцевых соединений:

Каждый болт должен испытывать усилие:

 

N- общая сила нормального давления на прокладку.

.

 

 

 Д_н= 373 мм= 37,3 см;

 Д_в= 370 мм= 37,0 см;

Q –усилие, отрывающее крышку от фланца, действующее на все болты.

 

Д_ср –средний диаметр.

 

 

При расчете предварительной  затяжки  болтов используется коэффициент К.

.

 

Z – количество болтов на фланце.

 

U- периметр линии расположения болтов (для окружности

 

 

S – шаг между болтами (зависит от номинального диаметра болта).

 

Номинальный диаметр болта:

;

предел прочности материала  болта.

 

n_в –запас прочности; n_в=6,5.

 

 

;

 

Напряжение  на стержне болта:

 

 

 

5.3.3.4. Расчет патрубков.

                                 

Вход  воды:  t_н=51⁰С;    

 

 

 

Выход воды: t_к=80 ⁰С;    

 

Вход  пара: t_в=198,73 ⁰С;    

 

Выход конденсата:    

 

 

 

5.3.3.5 Размеры фланцев:

 

Рис.3. Эскиз к расчету фланцев.

 

 

 

 

 

dн	32	38	57	373
Sнаим.	3,5	3,5	3,5	9,0
Д	100	120	140	485
Д1	75	90	110	445
Д2	60	70	90	415
f	2	2	3	4
в	12	12	12	22
q	4	4	4	5
Болты	М10	М12	М12	М20
Количество	4	4	4	12
q1	1	1	1	1
Количество канавок	2	2	2	3
d	12	14	14	23
k	4	4	4	10
h	5	5	5	11
Обозначение чертежа	Н 21-4	Н 21-5	Н 21-7	Н 21-18
Масса фланца	0,553	0,795	0,954	11,6

 

 

5.3.3.6. Расчет опор.

Число опо.  Расчет опор производим по максимальной массе аппарата.

Общая площадь всех опор:

 

 

G_фунд.- допускаемое напряжение в фундаментах из бетона марок

 из кирпичной кладки 7,8 кг/см².

Нагрузка, приходящаяся на одну из опор:

 

 

Рис.4. Приварные лапы. Эскиз к расчету приварных лап.

 

(а)  – приварные лапы вертикального  аппарата.

(б)  – эскиз к расчету приварных  лап.

 

Толщину ребра опор определяем по формуле:

 

m – число ребер в опоре;

а – вылет в опоре;

 дополнительное напряжение  на изгиб, кг/см²;

k – коэффициент, зависящий от гибкости ребра по его гипотенузе, для его определения находят радиус инерции ребра:

, и гибкость его по  гипотенузе:

 

 

Определив  находим k по следующей зависимости:

 

	0	25	50	75	100	125	150	175	200
k...	1,0	0,95	0,89	0,77	0,61	0,45	0,33	0,25	0,2

 

Определим максимальную массу  аппарата:

1). Масса корпуса:

;