Теплообменные аппараты

 

2.6 Последовательность расчета и подбора кожухотрубчатого теплообменника

 

Рассмотрим последовательность расчета и подбора кожухотрубчатого теплообменного аппарата для нагрева органической жидкости от начальной t2н до конечной t2к температуры при расходе жидкости G2 (кг/с).

В качестве горячего теплоносителя выбираем насыщенный водяной пар давлением Р (МПа) при степени сухости х.

По таблице 1 принимаем тип аппарата, выбираем материал труб – сталь; аппарат вертикальный. Нагреваемая жидкость подается в трубы, пар – в межтрубное пространство.

По таблицам теплофизических свойств нагреваемой жидкости при t2ср = 0,5.( t2н+ t2к ) определяем плотность r2 (кг/м3), теплоемкость С2 (кДж/(кг.град)), вязкость m 2 (Па.с), теплопроводность l2 (Вт/(м2.град)) [1].

По таблице I приложения по давлению Р (МПа) определяем температуру насыщения пара t1н = t1к = ts и удельную теплоту конденсации r (кДж/кг).

По таблице теплофизических свойств воды на линии насыщения (таблица II приложения) при ts определяем свойства конденсата: плотность r (кг/м3), теплопроводность (Вт/(м.град)), вязкость m (Па.с) [1].

Расчет кожухотрубчатого аппарата проводится следующим образом:

1 Определяем тепловую нагрузку аппарата

Q2 = G2 . C2 . ( t2к – t2н), кВт;

2 По уравнению теплового баланса (6) определяем расход насыщенного водяного пара

, кг/с;

3 При теплообмене между теплоносителями насыщенный водяной пар конденсируется при постоянной температуре ts; поэтому схема движения теплоносителей не влияет на величину средней разности температур. Dtср определяем либо по уравнению (10), либо (11). Расчетная схема для определения Dtб и Dtм изображена на рисунке 31 d.

4 По таблице 3 принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор с учетом вида теплоносителей и характера их движения (в данном примере – от конденсирующегося водяного пара к органической жидкости при ее вынужденном движении);

5 По уравнению (18) рассчитываем ориентировочную площадь поверхности нагрева

, м2;

6 Принимаем диаметр труб (20´2,0 мм или 25´2,0 мм; первая цифра обозначает наружный диаметр трубы dн, вторая – толщину стенки d. Тогда внутренний диаметр трубы  dвн = dн – 2.d, мм) и длину труб l (l = 2,0; 3,0; 4,0; 6,0 м в соответствии с ГОСТом на принятый к расчету аппарат.

7 Определяем общее число труб аппаратов, шт

       ;

8 Число труб n1 (шт) на один ход определяем из условия турбулентного режима движения жидкости (Re = 10 000 – 20 000). Например, ориентировочно принимаем Re2 ор = 15 000. Тогда

;

9 Рассчитываем число ходов трубного пространства аппарата

;

10 По рассчитанным величинам Fор, n, z и выбранным размерам труб (dвн и l) в соответствии с ГОСТом подбираем аппарат с наиболее близкими параметрами: Fнорм, м2; n; z;

11 Проводим проверку выбранного аппарата, определив коэффициенты теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара (a1) и нагреваемой жидкости (a2) по критериальным уравнениям соответствующего вида и коэффициент теплопередачи К по уравнению (14);

12 Уточняем поверхность теплопередачи (Fрасч, м2) по уравнению

;

13 Определяем запас поверхности нагрева D, %

    .

Если запас поверхности нагрева D достаточен, то аппарат выбран правильно. В противном случае расчет повторяют, приняв другой режим движения, размеры труб и др.

При выполнении расчета (пункт 10) может оказаться, что для заданных исходных величин подходят несколько нормализованных аппаратов. В этом случае необходимо проверить возможность применения каждого из них. Сопоставление конкурентно-способных аппаратов проводят с учетом их массы (таблица X приложения) и гидравлического сопротивления.

 

2.7 Гидравлический расчет кожухотрубчатых теплообменных аппаратов

 

Целью гидравлического расчета является определение величины потери давления теплоносителей при их движении через теплообменные аппараты. При этом раздельно проводится расчет потери давления при прохождении теплоносителей через трубы (DРтр) и в межтрубном пространстве (DРмтр).

 

2.7.1 Расчет потери давления в трубном пространстве

 

Гидравлическое сопротивление трубного пространства теплообменного аппарата определяется по уравнению

, Па   (19)

где  wтр – скорость теплоносителя в трубах, м/с;

l – коэффициент трения;

Sx – сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Скорость теплоносителя в трубах

,     (20)

где  Gтр – массовый расход (кг/с) теплоносителя, подаваемого в трубное пространство (вопрос подачи теплоносителей в трубы и межтрубное пространство рассмотрен в 2.6).

Коэффициент трения при Reтр > 2300 можно определить по выражению

 ,    (21)

где – относительная шероховатость труб; D – высота выступов шероховатости (для стальных труб можно принять D = 0,2 мм; для труб из другого материала – по таблице XII [2, с. 519] или по таблице XI приложения).

Коэффициент трения можно определить графически (рисунок 32).

 

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в трубном пространстве:

xтр1 =1,5 – входная и выходная камера;

xтр2 =2,5 – поворот между ходами;

xтр3 =1,0 – вход в трубы и выход из них.

Местные сопротивления на входе в распределительную камеру и на выходе из нее следует рассчитывать по скорости потока в штуцерах wтр шт. Диаметры штуцеров нормализованных кожухотрубчатых теплообменников приведены в таблице VIII приложения.

, м/с

где  dшт – диаметр штуцера, м.

С учетом изложенного уравнение (19) имеет вид

, (22)

где z – число ходов по трубам.

 

2.7.2 Расчет потери давления в межтрубном пространстве

 

В межтрубном пространстве гидравлическое сопротивление можно рассчитать по формуле

.    (23)

Скорость жидкости в межтрубном пространстве определяют по формуле

,     (24)

где Sмтр – наименьшее сечение потока в межтрубном пространстве (см. таблицы IV…VII приложения).

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в межтрубном пространстве

xмтр1 =1,5 – вход и выход жидкости;

xмтр2 =1,5 – поворот через сегментную перегородку;

xмтр3 = – сопротивление пучка труб;

где ; m – число рядов труб, которое приближенно можно определить по выражению с последующим округлением полученного значения в большую сторону до целой величины.

Сопротивление входа и выхода следует также определять по скорости жидкости в штуцерах, диаметры условных проходов которых приведены в таблице VIII приложения.

Число сегментных перегородок зависит от длины и диаметра аппарата. Для нормализованных теплообменников эти числа приведены в таблице IX приложения.

Расчетная формула для определения гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве имеет вид

, (25)

где  х – число сегментных перегородок;

m – число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве.

Примеры теплотехнического и гидравлического расчетов поверхностных теплообменных аппаратов приведены в [1, с. 66-85; 2, с. 213-246; 3, с. 104-117; 5, с. 95-153].

 

3 Механический расчёт теплообменника

 

3.1 Выбор конструкционных материалов

Для изготовления кожуха, распределительной камеры, крышек, крышек теплообменника приняли  конструкционный материал, согласно ГОСТ 14637-79

Для изготовления трубной решётки теплообменника приняли конструкционный материал согласно ГОСТ 8733-74.

Маркируем теплообменник:

                                       800 ТНГ – 0,6 – 0,4 – М - 2

                                                                25 Г -6

3.2 Механические свойства  сталей

Согласно [6, с.39, 57, 66] составим таблицу 7.

 

Таблица 7 – Механические свойства сталей

Материал	Технические требования	в		m
B Cm 3 Сп 5	ГОСТ 380 - 71	380	26	250
Сm 20	ГОСТ 8731 - 74	420	21

 

 

3.3 Определение допускаемых напряжений

Допускаемое напряжение для рабочих условий  ,  МПа. для стали B Cm 3 Сп 5 определим по таблице:

 

Таблица 8 - Допускаемые напряжения для сталей

Расчетная температура, °С	Допускаемое напряжение σ* МПа, для сталей
	ВСт3	20, 20К	09Г2С, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 10Г2С1	10Г2	12ХМ	12ХМ	15Х5М	15Х5М-У	15Х5М-У	08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т	03Х21Н21 М4ГБ	03Х18Н11	03Х16Н15 МЗ	06ХН28М ДТ, 03ХН28МДТ
20	140	147	183	180	147	147	155	146	240	240	180	160	153	147
100	134	142	160	160	-	-	-	141	235	207	173	133	140	138
150	131	139	154	154	-	-	-	138	230	200	171	125	130	130
200	126	136	148	148	145	145	152	134	225	193	171	120	120	124
250	120	132	145	145	145	145	152	127	220	173	167	115	113	117
300	108	119	134	134	141	141	147	120	210	167	149	112	103	110
350	98	106	123	123	137	137	142	114	200	-	143	108	101	107
375	93	98	116	108	135	135	140	110	180	-	141	107	90	105

Продолжение таблицы 8

Расчетная температура, °С	ВСт3	20, 20К	09Г2С, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 10Г2С1	10Г2	12ХМ	12ХМ	15Х5М	15Х5М-У	15Х5М-У	08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т	03Х21Н21 М4ГБ	03Х18Н11	03Х16Н15 МЗ	06ХН28М ДТ, 03ХН28МДТ
400	85	92	105	92	132	132	137	105	170	-	140	107	87	103
410	81	86	104	86	130	130	136	103	160	-	-	107	83	-
420	75	80	92	80	129	129	135	101	155	-	-	107	82	-
430	70	75	86	75	127	127	134	99	140	-	-	107	81	-
440	-	67	78	67	126	126	132	96	135	-	-	107	81	-
450	-	61	71	61	124	124	131	94	130	-	-	107	80	-
460	-	55	64	55	122	122	127	91	126	-	-	-	-	-
470	-	49	56	49	117	117	122	89	122	-	-	-	-	-
480	-	44	53	44	114	114	117	86	118	-	-	-	-	-
490	-	-	-	-	105	105	107	83	114	-	-	-	-	-
500	-	-	-	-	96	96	99	79	108	-	-	-	-	-
520	-	-	-	-	69	69	74	66	85	-	-	-	-	-
540	-	-	-	-	50	47	57	54	58	-	-	-	-	-
560	-	-	-	-	33	-	41	40	45	-	-	-	-	-