Курсовая работа (т): Кожухотрубні теплообмінники

2. Гідравлічний розрахунок

Метою розрахунку є визначення величини опору, який вноситься теплообмінником у систему трубопроводів та визначення потужності насосів для переміщення теплоносіїв. Для проходу крізь теплообмінний апарат теплоносії повинні подаватись під деяким надлишковим тиском для того, щоб подолати надлишковий опір апарату.

.1 Визначення швидкості рідин у штуцерах

Згідно ГОСТ 15122 - 79 умовні прохідні діаметри штуцерів трубного Dy1 та міжтрубного Dy2 простору.= 150 мм= 150 мм

Швидкість води у штуцерах трубного простору

Швидкість ізопропанолу у штуцерах міжтрубного простору.

.2 Визначення гідравлічного опору трубного простору

Гідравлічний опір трубного простору складається з опору тертя, який пропорційний довжині труб, місцевих опорів та втрат на підйом рідини.

Для трубного простору маємо такі місцеві опори: [3, с.69]

ξтр1=1,5 - вхідна та вихідна камери

ξтр3=1,0 - вхід труби та вихід з них

Для визначення гідравлічного опору трубного простору необхідно обчислити коефіцієнт тертя λтр. Попередньо визначимо середню абсолютну шорсткість сталевих труб е = 0,2 мм. [2, с.502] Відносна шорсткість при цьому буде рівна:

Для визначення коефіцієнта тертя скористаємось аналітичною залежністю

Враховуючи те, що в трубному просторі потік z разів проходить по трубах довжиною Ɩ, та (z-1) разів повертає на 180о (де z - число ходів по трубах). Оскільки апарат КТ - 1В вертикальний, то слід враховувати втрати напору на підйом (L = 4970 мм). Для визначення гідравлічного опору трубного простору одного апарату скористаємося формулою

2.3 Визначення гідравлічного опору міжтрубного простору

Коефіцієнти місцевих опорів потоку, який рухається в міжтрубному просторі: [3, с.69]

ξмт1=1,5 - вхід та вихід рідини

ξмт2= 1,5 - поворот на 180о через сегментну перегородку

ξмт3= 3*m/ Re20,2 - опір пучка труб потоку, який рухається перпендикулярно трубам,

де m - число рядів пучка в напрямку руху. Це число визначається в залежності від загального числа труб n

Приймаємо m = 8. Тоді:

Враховуючи, що в міжтрубному просторі потік перетинає пучок труб (х+1) разів, та х разів робить поворот на 180о через сегментну перегородку (де х - число сегментних перегородок).

2.4 Визначення потужності насосів (кВт)

Теоретична потужність насосу пропорційна об'ємній витраті рідини та гідравлічного опору апарату. Реальна потужність визначається з врахуванням коефіцієнта корисної дії η.

Для трубного простору визначаємо необхідну потужність насосу (прийнято η = 0,7).

де ∆Р1 - втрати тиску, Па- секундна витрата теплоносія

η - ККД насосу

Для міжтрубного простору визначаємо необхідну потужність насосу (прийнято η = 0,7)

3. Механічний розрахунок

Вибір фланців.

Фланці для трубного і міжтрубного простору, корпусу обираємо згідно ГОСТ 12831 - 67 «Фланцы с выступом или впадиной стальные приварные встык». Тиск - 1,6 МПа. Рисунки фланців показані на рис. 1, відповідні розміри фланців подані в табл. 3

Таблиця. 3

.1. Розрахунок міцності корпуса

де р - робочий тиск,

σдоп - допустиме напруження матеріалу кожуха, [3, с.394, табл. 13.1]

φ - коефіцієнт міцності зварного шва при двохсторонній зварці, φ=0,85

С - додаток на корозію 2 - 8 мм, приймаємо С = 2 ммв - внутрішній діаметр теплообмінника.

де ????розрах - розрахункове значення товщини стінки.

????розрах >????

Оскільки прийнята товщина кожуха 6 мм >4,8 мм то кожух витримає тиск 1,6 МПа.

.2 Параметри кришки і днища

Кришки і днища можуть бути еліптичні, напівшарові, сферичні, конічні, плоскі (круглої або прямокутної форми).

Еліптичні днища - раціональна форма в циліндричних апаратах для розподілу навантаження. В хімічному апаратобудуванні вони виконуються штамповкою і вони одержали найбільше використання.

Штамповані еліптичні днища рекомендується використовувати в горизонтальних апаратах незалежно від тиску і в апаратах вертикального виконання, що працюють під зовнішнім і внутрішнім тиском більше 0,07 МПа.

Еліптичні днища із сталі мають діаметр від 299 мм до 3000 мм, а із латуні, алюмінію, міді - від 200 мм до 1000 мм. Для еліптичних днищ рекомендуються наступні співвідношення розмірів:в = 0,25Dв, але не менше 0,2Dв;> 2S, але не менше 25 мм;

де hв - висота еліптичної частини;в - внутрішній діаметр;- висота циліндричної відбортовки;- товщина стінки днища. [5, с.50]

.2.1. Визначення висоти циліндричної відбортовки

Приймаємо h = 25 мм

.2.2 Знаходимо внутрішній радіус днища

.2.3 Визначення висоти штуцера

Різниця між абсолютною висотою апарату і довжиною труб

Згідно ОСТ 26-1404-76 приймаємо hшт = 185 мм [4, с.175]

Трубні решітки виготовляються з листової сталі. Товщина трубних решіток береться 15 ÷ 35 мм, вона вибирається в залежності від діаметра розвальцьованих труб:

де dз - зовнішній діаметр труб, мм.

Для надійності розвальцовки відстань між двома трубами повинна бути не менше t = 4,8dз.

де t - відстань між центрами труб, мм; вибираємо згідно ГОСТ 15118-79

.4 Розрахунок фланцевих з’єднань

Необхідно визначити матеріал та розміри прокладок, які забезпечать герметичність роз'ємних з'єднань.

При визначених середньому діаметру прокладки Dпр, кількості та діаметрів болтів максимальну ширину прокладки можна визначити, прирівнявши загальне допустиме навантаження на болти та необхідне навантаження на прокладку для її герметизації.

Допустиме навантаження на один болт

де dpв - внутрішній діаметр різьби;

С1 - конструктивна добавка, для болтів з вуглецевої сталі С1 = 2 мм.

Необхідне для герметизації навантаження fпр

де Dпрср-середній діаметр прокладки, мм;ширина прокладки, мм;пр- тиск на поверхню прокладки, необхідний для герметизації роз'ємного         з'єднання фланець - прокладка - фланець.

.4.1 Прокладки для кришок

Обрані фланці мають плоскі поверхні, тому тип ущільнення буде відповідно з прокладкою між плоскими поверхнями.

З наведених даних про фланці визначаємо для кришок:

-   число отворів, яке рівне числу болтів 20

-        різьба болтів M27 [7]

         максимально можливий зовнішній діаметр прокладки D4 = 473 мм;

         мінімально можливий внутрішній діаметр прокладки d1 = 398 мм;

Визначаємо загальне навантаження на 20 болтів FБ

Для болтів М27 внутрішній діаметр різьби згідно ГОСТ 9150 dpв = 22,83 мм, для сталі Ст.3, з якої пропонуємо робити болти σдоп=135 МПа [3, табл.13.1]

Матеріалом для прокладки обираємо пароніт ПОН-1 ГОСТ 481-71, для якого qпр =20 МПа.

Внутрішній діаметр прокладки приймаємо Dп1= 398 мм, тоді середній діаметр Dпрср = Dп1+ b, цей вираз підставляємо у попереднє рівняння

звідси отримуємо квадратне відносно невідомої b рівняння

розв'язком рівняння є:

Перевіряємо:

Приймаємо прокладки:

         Товщина прокладки 2,5 мм;

         Ширина прокладки 34 мм;

         Зовнішній діаметр прокладки 466 мм.

.4.2 Фланці трубного і міжтрубного простору

З наведених даних про фланці визначаємо:

         число отворів, яке рівне числу болтів 8;

         різьба болтів М20

         максимально можливий зовнішній діаметр прокладки D4=203 мм

         мінімально можливий внутрішній діаметр прокладки d1= 146 мм;

Визначаємо загальне навантаження на 8 болтів FБ:

Для болтів М20 внутрішній діаметр різьби згідно ГОСТ 9150 dpв = 16,53мм, для сталі Ст.3, з якої пропонуємо робити болти σдоп=135 МПа

Матеріалом для прокладки обираємо пароніт ПОН-1 (ГОСТ 481-71), для якого qпр = 20 МПа.

Внутрішній діаметр прокладки приймаємо Dп1 = 146 мм, тоді ширина прокладки фланців

Перевіряємо:

         Товщина прокладки 2 мм;

         Ширина прокладки 17 мм;

         Зовнішній діаметр прокладки 180 мм.

. Економічний розрахунок

.1 Визначаємо масу кожуха

Маса кожуха Мк складається з маси циліндричної частини Мц.ч.; маси 2-х фланців (Dу = 400 мм) Мф; маси 2-х штуцерів і 2-х фланців (Dу = 150 мм).

де ρст - густина сталі, ρст = 7850 кг/м3

Масу фланців знаходимо за ГОСТ 12831 - 67

Мф.400 = 42,64 кг

Мф.150 = 8,28 кг

.2 Визначаємо маси днища, кришки

Маса днища і кришки для одноходового теплообмінника однакова. До неї входять маса циліндричної відбортовки, маси фланця Dу = 150 мм, маси штуцера Dу = 150 мм та маси еліптичної частини:

.3 Обчислюємо масу труб, де враховуємо їх кількість, діаметр та товщину стінок

.4. Обчислюємо масу трубних решіток

.5 Знаходимо масу сигментних перегородок

.6. Знаходимо масу апарату

Маса апарату складається з маси кожуха, маси труб, маси днища і кришки, маси трубних решіток і маси сигметних перегородок

Згідно ГОСТ 15122 - 79 для Ру = 1,6 МПа, Мmax = 1430 кг.

4.7 Знаходимо масу апарату з рідинами; для цього знаходимо об’єм назріваючої води в трубному просторі

Знаходимо масу нагріваючої води в трубному просторі

Обчислюємо об’єм ізопропанолу в міжтрубному просторі

Обчислюємо масу ізопропанолу в міжтрубному просторі