Конструкторское решение холодильника-конденсатора для конденсации водяного пара

Конструкторское решение холодильника-конденсатора для конденсации водяного пара

Задание по курсовому проекту.

Рассчитать и запроектировать холодильник-конденсатор для конденсации водяного пара по следующим данным:

·   производительность G_п = 10 т/ч;

·   давление пара P_п = 4 ат;

·   пар насыщенный;

·   начальная температура охлаждающей воды t_2н = 25 ºС;

·   конечная температура охлаждающей воды t_2к = 40 ºС;

·   температура конденсата t_1к = 90 ºС.

Расчетная часть

I. Тепловой расчет

. Схема процесса:

Зоны:- конденсация насыщеного пара при t_конд;- охлаждение конденсата до t_1к.

расчет тепловой нагрузки аппарата

. Температуру парового потока на входе определяем по таблице LVII [1, с.550]:

При P_п = 4 ат = 4 кгс/см² t_нас = 142,9 ºС.

. Количество тепла при конденсации насыщеных паров:

_конд = G_п×r = (10*1000/3600)(2141*1000) = 5947222 Вт,

где r = 2141кДж/кг - теплота конденсации насыщеного пара (определяется по таблице LVII [1, с.550]).

. Количество тепла при охлаждении конденсата:

Q_охл = G_п×с_к×(t_нас - t_1к) = (10*1000/3600)(1,005*4,19*10³)(142,9-90) = 618783 Вт,

где c_к = 1,005 ккал/кгК - удельная теплоемкость конденсата при Dt_ср.к = (t_1к+ t_нас)/2 = 116ºС (определяется по номограмме XI [1, с.562]).

. Общая тепловая нагрузка конденсатора:

= Q_конд + Q_охл = 5947222 + 618783 = 6566005 Вт.

расчет движущей силы теплопередачи

. Расход охлаждающей воды:

_в = Q/(c_в×(t_2к - t_2н)) = 6566005/(1,001*4,19*10³*(40-25)) = 104,371 кг/с,

где с_в = 1,001 ккал/кгК - удельная теплоемкость охлаждающей воды при Dt_ср.в = (t_2к+ t_2н)/2 = 33ºС (определяется по номограмме XI [1, с.562]).

. Граничная температура:

_x = Q_охл/(G_в×с_в) + t_2н = 618783/((10*1000/3600)(1,005*4,19*10³)) + 25 = 26,4 ºС.

. Средняя разность температур для зоны конденсации насыщеного пара:

ºС.

. Средняя разность температур для зоны охлаждения конденсата:

ºС.

ориентировочный расчет поверхности теплопередачи

. Максимальная поверхность конденсации:

_конд = Q_конд/(K_конд×Dt_{ср.конд}) = 5947222/(800*109,7) = 67,8 м²,

где К_конд = 800 Вт/м²К - минимальный коэффициент теплопередачи (взяли по таблце II.1 [2, с.21]).

. Максимальная поверхность охлаждения конденсата:

_охл = Q_охл/(K_охл×Dt_ср.охл) = 618783/(800*88,4) = 8,7 м²,

где К_охл = 800 Вт/м²К - минимальный коэффициент теплопередачи (взяли по таблце II.1 [2, с.21]).

. Полная максимальная поверхность теплопередачи:

_ор = F_конд + F_охл = 67,8 + 8,7 = 76,5 м².

уточненный расчет поверхности теплопередачи и выбор аппарата

. Для обеспечения турбулентного течения воды при Re’_в > 10000 скорость в трубах с d_н = 25x2 мм должна быть больше w’_в:

м/с,

где d_в = 25 - 2*2 = 21 мм, μ_в = 0,7523 мПа×с - динамическая вязкость воды при Dt_{ср в} = (t_2н + t_2к)/2 = 33ºС (определяется по таблице VI [1, с.514]), ρ_в = 995 кг/м³ - плотность воды при Dt_ср = (t_2н + t_2к)/2 = 33ºС (определяется по таблице XXXIX [1, с.537]).

. Объемный расход воды:

_в = G_в/ ρ_в = (10*1000/3600)/995 = 0,105 м³/с.

. Число труб 25x2 мм, обеспечивающих объемный расход воды при Re’_в = 10000:

. Условию n < 842 и F < 76,5 м² удовлетворяет (по таблице 4.12 [1, c.215]) теплообменник с параметрами:

Диаметр кожуха внутренний D = 0,8 м;

Число ходов z = 1;

Число труб n = 465;

Поверхность теплообмена F = 73 м²;

Длина труб l = 2 м;

Трубное проходное сечение S_т = 16,1×10^-2 м²;

Межтрубное проходное сечение S_м = 7,9×10^-2 м²;

Число рядов труб n_p = 23;

Общая длина аппарата L = 3,07 м.

17. Уточняем значение критерия Re_в:

Re_в = Re’×n’/n = 10000*842/465 = 18099.

. Уточненное значение скорости в трубах:

м/с.

холодильник конденсатор пар

19. Критерий Прандтля для воды при Dt_{ср в} = (t_2н + t_2к)/2 = 33ºС:

_в = с_в×μ_в/l_в = 4194*(0,7523*10^-3)/(62,3*10^-2) = 5,06,

где l_в = 62,3×10^-2 Вт/мK - коэффициент теплопроводности воды при Dt_{ср в} = (t_2н + t_2к)/2 = 33ºС (определяется по таблице XXXIX [1, с.537]).

. Определяем критерий Нуссельта для воды:

где e_l = 1 - коэффициент, зависящий от отношения l/d_в и критерия Re_в (по таблице 4.3 [1, c.153]), ( Pr_в/ Pr_ст.в)^0,25 = 1,05 для воды.

. Коэффициент теплоотдачи для воды:

α_в = Nu_в×l_в/d_в = 112,8*(62,3*10^-2)/0,021 = 3348 Вт/м²К.

. Коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации на наружной поверхности пучка горизонтальных труб:

α_конд = 2,02×e×l_п(ρ²_п×l×n/(μ_п×G_п))^1/3 = 2,02*0,6*(68,5*10^-2)/(923²*2*465/(192,7*10^-6* (10*100/3600)))^1/3 = 9462 Вт/м²К,

где e = 0,6 - коэффициент при n > 100 [2, c.23], l_п = 68,5×10^-2 Вт/мК - коэффициент теплопроводности конденсата при t_нас = 142,9ºС, ρ_п = 923 кг/м³ - плотность конденсата при t_нас = 142,9ºС, μ_п = 192,7×10^-6 Па×с - динамическая вязкость конденсата при t_нас = 142,9ºС (значения l_п, ρ_п, μ_п определяется по таблице XXXIX [1, с.537]).

. Критерий Прандтля для конденсата при Dt_ср = (t_нас + t_1к)/2 = 116ºС:

Pr_к = с_к×μ_к/l_к = 4194*(239,7*10^-6)/(68,4*10^-2) = 1,48,

где l_к = 68,4×10^-2 Вт/мK - коэффициент теплопроводности и μ_к = 239,7×10^-6 Па×с - динамическая вязкость конденсата при Dt_ср = (t_нас + t_1к)/2 = 116ºС (определяется по таблице XXXIX [1, с.537]).

. Критерий Нуссельта для пленочного течения конденсата по ур. VII,54 [3, с.286] при Re_пл = ~12 (ламинарное движение пленки):

_пл = 0,005×Re_пл^0,33×Pr_к^0,33 = 0,0129.

. Коэффициент теплоотдачи при охлаждении конденсата по ур.VII, 59 [3, с.289]:

Вт/м²К.

. Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений:

åδ/l = δ_ст/l_ст + 2/r_з = 2*10^-3/17,5 + 2*11600 = 0,287×10^-3 м²К/Вт,

где δ_ст = (d_н - d_в)/2 = 2×10^-3м - толщина стенки, l_ст = 17,5 Вт/мК - коэффициент теплопроводности нержавеющей стали (таблица XXVIII [1, c.529]), 1/r_з = 11600 м²К/Вт - тепловая проводимость загрязнений стенки (таблица II.2 [2, c.21]).

. Уточненный коэффициент теплопередачи для зоны конденсации:

К’_конд = 1/(1/ α_в + 1/ α_конд + åδ/l) = 1(1/3348 + 1/9462 + 0,287*10^-3) = 1447 Вт/м²К.

28. Уточненная поверхность конденсации:

’_конд = Q_конд/(K’_конд×Dt_{ср.конд}) = 5947222/(1447*109,7) = 37,5 м².

. Уточненный коэффициент теплопередачи для зоны охлаждения конденсата:

К’_охл = 1/(1/ α_в + 1/ α_охл + åδ/l) = 1(1/3348 + 1/472 + 0,287*10^-3) = 370 Вт/м²К.

. Уточненная поверхность охлаждения конденсата:

’_охл = Q_охл/(K’_охл×Dt_ср.охл) = 618783/(370*88,4) = 18,9 м²,

. Полная уточненная поверхность теплопередачи:

’ = F’_конд + F’_охл = 37,5 + 18,9 = 56,4 м².

. Как видно выбраный нами теплообменник подходит с запасом:

D = (F - F’)/F’ = (73 - 56,4)/56,4 = 29%

расчет гидравлического сопротивления трубного пространства

. Коэффициент трения в трубах:

,

где e = D/d_в = 0,2×10^-3/(21×10^-3) = 0,0095 - относительная шероховатость труб, D = 0,2×10^-3 м - высота выступов шероховатостей.

. Скорость воды в штуцерах:

_2ш = 4×G_в/(p×d²_ш×ρ_в) = 4*104,4/(3,14*0,25²*995) = 2,14 м/с,

где d_ш = 0,25м - диаметр условного прохода штуцеров для трубного пространства (берется из таблицы II.8 [2, с.27]).

. Гидравлическое сопротивление трубного пространства:

II. Механический расчет

расчет толщины обечайки

Из условия коррозионной стойкости по табл.1 приложения [4] выбираем сталь 08Х18Н10Т co скоростью проникновения коррозии П<^-3 м/год.

Прибавка на коррозию к расчетной толщине стенки аппарата определяется по формуле (3.I) [4]:

=м,

где Т_А = 20 лет - амортизационный срок службы теплообменника.

Поправка С находится в пределах допустимых величин ( м).

Допускаемое напряжение для материала определяется по формуле (3.5) [4]:

,

где  - поправочный коэффициент, для не пожароопасных смесей ;  - допускаемое нормативное напряжение материала, МПа.

Для стали 08Х18Н10Т по табл.2 приложения [4] при t=142,9ºC принимаем =148 ·0,95 = 140,6 МПа:

МПа.

Толщина стенки обечайки определяется по формуле (3.8) [4]:

м,

где Р - рабочее внутреннее давление в аппарате, МПа; Р =Р_п +Р _гидр,Р_п = 4×9,81×10⁴×10^-6 = 0,39 МПа - давление в аппарате над свободной поверхностью жидкости; Р_гидр- гидростатическое давление конденсата;j_об = 0,95 - коэффициент, учитывающий ослабление обечайки из-за сварного шва (сварной шов стыковой двисторонний).

Так как гидростатическое давление невелико принимаем .

Принимаем по нормальному ряду S_об = 4 мм.

Проверяем применимость формулы для нахождения S_об:

(S_об - С)/D £ 0,1(4*10^-3 - 2*10^-3)/0,8 = 0,0025 < 0,1 - условие выполняется.

расчет толщины крышек

Толщина стенки эллиптической крышки по формуле (3.11) [4]:

м,

где j_кр = 1 - для крышек, изготовленных из цельной заготовки.

Во всех случаях толщина крышки должна быть не меньше толщины обечайки, рассчитанной по формуле (3.8) [4]. Принимаем по толщине обечайки S_кр = 4 мм.

Проверяем применимость формулы для нахождения S_кр:

(S_кр - С)/D £ 0,125(4*10^-3 - 2*10^-3)/0,8 = 0,0025 < 0,125 - условие выполняется.

расчет фланцевых соединений

Подбираем приварные фланцы для крепления крышек к обечайке аппарата по следующим данным: давление в аппарате 0,39 МПа; температура стенок аппарата t = 142,9°С; внутренний диаметр аппарата D=800мм; толщина стенок обечайки S_об = 4 мм и крышек S_кр = 4 мм.

Выбираем приварные плоские гладкие фланцы (ОСТ 26-426-79) по табл. 7 приложения [4].

Для фланцев, болтов и гаек выбираем материал сталь 08Х18Н10Т по табл. 7 приложения [4].

Наибольшее рабочее давление P_раб в аппарате при выбранных материалах и температуре до 200 ⁰C равно 0,47 МПа при условном давлении P_у = 0,6 МПа (см. табл. 9 приложения [4]).

Размеры фланцев, прокладок выбираем с учетом, что условное давление в аппарате 0,6 МПа.

Размеры фланца при Р_у = 0,6 МПа и D = 800 мм (см. табл. 7 приложения [4]) следующие:

Д₁ = 880 мм;

Д₂ = 842 мм;

b = 35 мм;

S = 4 мм;

d₀ = 23 мм;

Z_М20 = 32 шт.

Материал прокладки выбираем по табл.3.2 [4]. При наибольшей температуре в аппарате (142,9°С) и наибольшем давлении в аппарате (0,47 МПа) выбираем прокладку из асбестового картона, которая допускает 500°С и давление до 0,6 МПа. По ОСТ 26-430-79 (см. табл.10 приложения [4])

выбираем размеры прокладки:

Д₁. = 865 мм;

Д₂ = 835 мм (исполнение 2);

а = 2,0 мм;= 0,158 кг.

расчет трубной решетки

Возьмем II тип конструкции трубных решеток.

Проверяем условие устойчивости труб при осевом сжатии:

,785×P_тр(D²_сп - d²_в×n) £ 10×E_m¹⁵⁰×J×n/l²;

,785*0,11*(0,85²-0,021²*465) £ 10*199*10³*9,6*10^-9*465/2²;

,044 < 2,223 - условие выполняется.

где P_тр = Dp_тр+ p₀ = 0,008+0,1=0,11МПа - давление в трубном пространстве, E_m¹⁵⁰ = 199×10³МПа - модуль упругости стали при 150ºС (таблица 3.1 [4]), J = 0,049(d²_н - d²_в) = 9,6×10^-9м⁴ - момент инерции поперечного сечения трубы.

Минимальный шаг между трубами [2, с.80]:

t = 1,3d_н = 1,3*0,025 = 0,033 м

Максимальное среднее арифметическое сторон прямоугольника в решетке, образованного центрами двух смежных труб в крайнем ряду и контуром решетки по ее расчетному диаметру:

l_t » 1,3t = 0,042 м

Толщина трубной решетки:

м,

Принимаем h = h₁ = 12 мм.

Для крепления труб в трубных решетках мы применяем сварку, поэтому толщина трубных решеток определяется только условиями прочности.

- расчет фланцевых болтов

Проверяем прочность болтов М20 (32 штуки) из стали 08Х18Н10Т.

Податливость болта:

,

где l_Б,= 2b+2а+h₁ =0,092 м - расчетная длина болта (см. табл.8 приложения [4]); - площадь поперечного сечения болта; Е_Б = 250·10³ МПа - модуль упругости болта табл. [4].

Податливость части прокладки, приходящейся на один болт:

,

где Е_П = МПа - модуль упругости прокладки табл. [4];

площадь прокладки, приходящейся на один болт; Z - количество болтов.

Коэффициент основной нагрузки

Усилие от давления в аппарате, приходящееся на один болт,

,

где  - средний диаметр прокладки.

Суммарное усилие на болт

где К_СТ- коэффициент затяжки запаса против раскрытия стыка, принят равным 1,3.

Допускаемая сила [F] для болта М20 из стали 08Х18Н10Т при 200⁰С - 10 кН (см.табл. 12 приложения [1]):

Условие прочности для выбранных болтов выполняется: 9629H < 10000H.

- расчет компенсатора

Сила взаимодействия между корпусом и трубами за счет температурных напряжений:

,

где a_ст = 16,6×10^-6 1/ºС - коэффициент линейного расширения стали Х18Н10Т ([2, с. 81]), t_к = 0,5*(t_1к+t_нас)=116ºС - средняя температура кожуха, t_тр = 0,5*(t_2н+t_2к)=33ºС - средняя температура труб, E_к¹⁵⁰ = E_тр²⁰ = 200×10³МПа - модули упругости стали при 150 и 20ºС (таблица 3.1 [4]), F_к = ((D+2×S_об)² - D²)×p/4 = 0,01 м² - площадь сечения кожуха, F_тр = (d²_н - d²_в)×n×p/4 = 0,067 м² - площадь сечения труб.

Сила от давления среды:

P = 0,785((D² - d²_н×n)P_П + d²_в×n×P_ТР) = 0,785*((0,8² - 0,025²*465)*0,39 + 0,021²*465*0,11) = 0,13МН.

Проверяем условие обязательного применения компенсатора:

; ;

 - условие не выполняется;

; ;

 - условие выполняется.

Так как одно из условий не выполняется, мы вынуждены применить компенсатор.

Расчетный диаметр линзового компенсатора:

м,

где s_¶ = s_T/n_T×h_T = 220/1,5*0,9 = 132МПа - допускаемое напряжение при растяжении стали Х18Н10Т, n_T = 1,5 - запас прочности по пределу текучести (по таблице 14.4 [5, с. 180]), h_T = 0,9 - поправочный коэффициент (по таблице 14.2 [5, с. 179]).

По таблице 24.2 [5, с. 320] округляем D’ до ближайшего большего размера D_ком:_ком = 1,1 м.

Расчетная толщина линз:

’= D_ком×P_П/(2s_¶) + С = 1,1*0,39/(2*132) = 0,0036 м

По таблице 24.2 [5, с. 320] округляем s’ до ближайшего большего размера s:= 0,004 м.

Реакция компенсатора по его оси:

,

где b = D/D_ком = 0,73 - коэффициент, k = 0,66 - коэффициент, определяемый по графику фиг. 24.2 [5, c. 320].

.

Расчетное число линз:

Список литературы

1. Павлов К.Ф. и др. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. Л.: Химия, 1987 - 576 с.;

. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. М.: Химия, 1991 - 496 с.;

. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971 - 783 с.;

. Расчет аппарата, нагруженного внутренним и наружным давлением: Методические указания к выполнению курсового проекта по прикладной механике для студ. спец. 25.16 и 26.03.04 / Сост. Б.B. Фофанов, В.В. Воробьева; Перм. гос. тех. ун-т. Пермь, 1993. 80 с.;

. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. М.-Л.: Машгиз, 1963 - 470 с.

. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник, том 2.