Расчет теплообменного аппарата

Расчет теплообменного аппарата

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина»

Кафедра Теплоэнергетики и теплотехники

Курсовой проект

на тему: Расчет теплообменного аппарата

Выполнил:

Тимофеев С.Н.

Екатеринбург

1. Вертикальный бойлер-аккумулятор

Исходные данные:

Греющий пар:изб=2 ат

Нагреваемый мазут М40:

t2’ = 40 ^оС” = 80 ^оС

Объем бака V = 2 м3

Время нагрева ф = 2 часа.

Содержание проекта:

Описание аппарата

Тепловой и конструктивный расчет

Гидравлический расчёт

Механический расчет элементов конструкции теплообменного аппарата.

Расчёт тепловой изоляции

КИП и А

Требования «Ростехнадзора»

Графическая часть проекта:

Сборочный чертёж аппарата

Сборочный чертёж корпуса

Деталировка корпуса

2. Описание аппарата

Теплообменные аппараты типа: бойлеры-аккумуляторы применяют для нагрева и накопления жидкостей.

Бойлер-аккумулятор представляет собой сравнительно большую ёмкость <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%81%D0%BC%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> с размещенным в ней или, реже, под ней, источником тепла <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%B3%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C>. Нагрев может производиться при помощи парового или водяного теплообменника <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BE%D0%B1%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B8%D0%BA>- в нём циркулирует нагреваемая жидкость в замкнутом контуре

Бойлер может также нагреваться с помощью размещенного внутри него ТЭНа <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D1%83%D0%B1%D1%87%D0%B0%D1%82%D1%8B%D0%B9_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%B3%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C> или расположенной под нагревательной емкостью газовой горелкой <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%B3%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C>. Существуют также комбинированные модели, включающие два или реже более видов нагревательных элементов. Например: ТЭН + теплообменник; теплообменник, работающий от системы отопления + теплообменник, нагреваемый солнечным коллектором <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80>.

Водонагревательная ёмкость снаружи защищена слоем теплоизоляции и защитным кожухом. Снаружи к нагревательному элементу подсоединяется пульт управления, обязательно включающий управление температурой. Обычно это биметаллический термостат <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%B0>. Нагрев включается, когда термодатчик регистрирует в баке температуру ниже установленной.

Различают водонагреватели закрытого (напорного) и открытого(безнапорного) типов.

Теплообменник сварной с паровой рубашкой. Корпус выполнен из стали (Ст10).

3. Расчёт теплообменного аппарата

.1 Конструктивный тепловой расчет

Температура насыщения пара при абсолютном давлении P_а = P_изб + 0,1 = 0,3 МПа: t_s = 136 ^оС

Средняя за время ф температура мазута:

Теплофизические характеристики мазута М40 по его средней температуре:

Удельная тепловая производительность бойлера-аккумулятора:

Определение коэффициента теплопередачи бойлера-аккумулятора:

Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке:

Определяющий размер  примем 1 м.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому мазуту:

л = 50 Вт/м∙К - коэффициент теплопроводности стали;

s = 10 мм - толщина стенки корпуса аппарата.

Площадь поверхности нагрева:

В качестве корпуса аппарата берем стальную цилиндрическую обечайку (трубу) внутренним диаметром  (в соответствии с ГОСТ 9617-67).

Высота цилиндрической части корпуса бойлера:

Принимаем L=3 м.

Выбираем в соответствии с выбранным диаметром днище и крышку:

Днище 1020Ч255-25-09Г2С ГОСТ 6533-78

Крышка 1020Ч255-25-09Г2С ГОСТ 6533-78

Выбираем в соответствии с диаметром рубашку:

Рубашка I-1100-765-4/6 ОН 26-01-73-78

Зависимость расхода пара от времени нагрева:

Рисунок 1

Средний расход пара за 2 часа:

.2 Расчёт и выбор патрубков

Скорость пара в трубках выбирается из диапазона 30-50 м/с, примем скорость пара 30 м/с.

Внутренний диаметр входного патрубка паровой рубашки:

Возьмем трубу для патрубка (согласно ГОСТ 10704-91) .

Скорость воды в трубках выбирается из диапазона 1-3 м/с, примем скорость воды (конденсата) 1 м/с. Массовый расход пара по балансу равен массовому расходу конденсата.

Внутренний диаметр выходного патрубка паровой рубашки:

Возьмем трубу для патрубка (согласно ГОСТ 10704-91) .

Скорость жидкостей с вязкостью большей, чем у воды, в трубках не превышает 1 м/с, примем скорость для мазута 0,5 м/с. Время полного опорожнения бойлера составляет 30 минут.

Внутренний диаметр сливного патрубка корпуса:

Возьмем трубу для патрубка (согласно ГОСТ 10704-91) .

Внутренний диаметр входного патрубка корпуса:

Возьмем трубу для патрубка (согласно ГОСТ 10704-91) .

.3.1 Прочностной расчет элементов конструкции:

Конструктивный механический расчет обеспечивает прочность элементов в процессе эксплуатации. Для цилиндрических теплообменных аппаратов производится расчет следующих элементов конструкции: толщины стенок корпуса, крышек и днищ; трубных досок; фланцевых соединений.

В качестве материала корпуса используем сталь марки 10.

При выполнении расчета за нормативное допускаемое напряжение принимается наименьшее из двух напряжений и :

Нормативное допускаемое напряжение и предел текучести для стали 10 при температуре стенки 133,3 ^оС:

3.3.2 Расчёт толщины стенки аппарата

Проверка толщины стенки на напряжение при гидравлическом испытании аппарата:

.3.3 Расчет днищ и крышек

Днища и крышки изготавливаются из того же металла, что и корпус аппарата. В теплообменных аппаратах чаще всего применяются эллиптические или сферические днища с отбортовкой для обеспечения качественной сварки с цилиндрической части корпуса или крышки.

Расчетная толщина стенки крышки подверженной внутреннему давлению, определяется по формуле:

где k - коэффициент,

h_в=0,255 м -высота выпуклой части крышки

d - наибольший диаметр неукрепленного отверстия в крышке;

 - коэффициент прочности сварного шва, ;

С - прибавка на коррозию

Проверка толщины стенки крышки аппарата на напряжение при гидравлическом испытании:

Расчетная толщина стенки днища подверженной внутреннему давлению, определяется по формуле:

_в=0,255 м -высота выпуклой части днища;

k -коэффициент,(швов нет)

 - коэффициент прочности сварного шва, ;

С - прибавка на коррозию

Проверка толщины стенки днищя аппарата на напряжение при гидравлическом испытании:

Цель расчета - определение критического давления, при котором корпус может утратить свою цилиндрическую форму и стать эллиптическим или волнообразным.

Где D - средний диаметр оболочки, м;

S - толщина стенки оболочки, м.

Критическое напряжение:

При 0,5D_с<H<H_кр

Критическое давление:

Допустимое с точки зрения устойчивости давление:

Берём стандартные фланцы и болты:

По ГОСТ1255-67:

) Входной патрубок паровой рубашки:

Фланец 1-18 -12Х18Н10Т АТК 24.201.18-91

Болты М2,5, 4 штуки

) Выходной патрубок паровой рубашки:

Фланец 1-18 -12Х18Н10Т АТК 24.201.18-91

Болты М2,5, 4 штуки

) Входной патрубок аппарата:

Фланец 1-140 -12Х18Н10Т АТК 24.201.18-91

Болты М12, 4 штуки

)Входной патрубок аппарата:

Фланец 1-140 -12Х18Н10Т АТК 24.201.18-91

Болты М12, 4 штуки

Фланцы подобраны под давление P=0,6 МПа

Материал: сталь 12Х18Н10Т

Стандартные фланцы стальных сварных аппаратов, цельные для обечаек и днищ с внутренними базовыми размерами:

Соединение корпус-крышка:

Фланец 1-1100 -12Х18Н10Т АТК 24.201.18-91

Болты М20, 40 штук

Фланцы подобраны под давление P=0,3 МПа

Материал: сталь 12Х18Н10Т

.3.4 Расчёт опор аппарата

Расчёт опор вертикальных аппаратов производится по максимальному весу аппарата G_max при заполнении его водой.

Общая площадь всех опор:

где F₀ - суммарная площадь всех опор аппарата:

G_max - масса заполненного мазутом аппарата: G_max=2200 кг

у_фунд - допускаемое напряжение в фундаментах: у_фунд=2 МПа (для фундамента из бетона)

где n - количество опор, n=2

Рассчитываем толщину ребра S_р:

где k_р - коэффициент от гибкости ребра (условно принимаем 0,6)

m - количество рёбер в опоре

a - вылет опоры, принимается из конструктивных соображений (принимаем 0,03 м)

у - допускаемое напряжение опоры материала на изгиб, берём сталь 10 с у=122,9 Мпа

Производим проверку:

Подбираем другой коэффициент k_р по графику функции k_р от a/S_р:

Производим проверку:

при k_р=0,3, a/S_р=25;0,03/0,0011=24,6

Берём толщину ребра S_р=12 мм по сортаменту.

.4 Расчёт изоляции аппарата

В соответствии со СНиП 41-03-2003 для диапазона температур с 20 до 300°С, в качестве изоляции аппарата берём стекловату с: л=0,05 Вт/мК,ƿ=2,5 м³/кг.

По санитарным нормам температура поверхности изоляции оборудования, находящегося в закрытом помещении при температуре окружающей среды =25⁰С не должна превышать величины  = 45 ⁰С.

Температура стенки  берется из теплового расчета.

t_ст =133⁰С.a_из=8 Вт/м²×К - коэффициент теплоотдачи;Толщина слоя изоляции.

м ,примем 7 мм

После определения толщины изоляции проводят проверку полученной величины по допустимому тепловому потоку []. Для этого рассчитывают тепловой поток с изолированной поверхности аппарата по формуле

= =63  

[]=104

Величина расчетного теплового потока не превышает допустимую, . Принимаем изоляцию: стекловату, толщиной 7 мм.

4. Контрольно-измерительные и регулирующие приборы

Для управления работой и обеспечения безопасных условий эксплуатации аппараты в зависимости от назначения должны быть оснащены приборами для измерения давления, приборами для измерения температуры, предохранительными устройствами, указателями уровня жидкости.

При испытании теплообменных аппаратов в эксплуатационных условиях обычно замеряются:

1)      температура воды на входе в аппарат;

2)      температура воды на выходе из аппарата;

)        давление воды на входе в аппарат;

)        давление воды на выходе из аппарата;

)        расход воды через аппарат.

Для производства замеров указанных величин теплообменный аппарат должен быть оснащен соответствующими измерительными приборами.

Место установления, класс точности, шкала и частота поверки приборов определяется согласно Правилам.

При необходимости контроля уровня жидкости в аппаратах, имеющих границу раздела сред, должны применяться указатели уровня.

В теплообменном аппарате КИП являются термометры, манометры, измерительные диафрагмы. На всасывающей линии воды устанавливают приемный клапан и задвижку (для отключения насоса). На нагнетательной - обратный клапан, регулирующую задвижку, а также вентиль залива насоса водой перед пуском, манометр.

Шкала манометра выбирается таким образом, чтобы рабочее давление составляло 3/4 предела измерений данного манометра. Диаметр манометра должен быть не менее 100 мм при установке на высоте до 2 м от уровня пола. Температура в месте установки манометра не должна превышать 60 ⁰С. Манометр устанавливается строго вертикально.

Обратный клапан и манометр устанавливают за насосом на нагнетательной линии воды.

Термометры устанавливают в специальные гильзы, которые расположены в штуцерах на входе и на выходе воды.

При автоматическом управлении необходима установка манометров как прямого действия (на теплообменнике), так и непрямого действия (на пульте).

Если манометр находиться на высоте 2-5 м от пола, где находиться теплообменный аппарат, то и диаметр манометра - 250 мм. Манометры и термометры допускаются к эксплуатации после прохождения технического освидетельствования.

Для измерения температуры теплоносителей рассчитываемого теплообменного аппарата будут использоваться технические ртутные термометры ТТ с пределами измерения 0-300 ⁰С (для пара) и 0-160 ⁰С (для воды).

Давление мазута и пара будет измеряться манометрами типа МТ (механическими показывающими и самопишущими манометрами с одновитковой трубчатой пружиной) с пределами измерений, соответственно 0-1МПа и 0-1,6 МПа.

Для измерения расхода теплоносителей будет использоваться диафрагма типа ДБ, Сигнал с диафрагмы идет на дифманометр ДСЭР (сильфонный дифманометр).

5. Требования «Ростехнадзора»

Основные требования к кожухотрубчатым теплообменным аппаратам изложены в «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

Конструкция аппаратов должна обеспечивать надежность и безопасность эксплуатации в течение расчетного срока службы, указанного в паспорте, и предусматривать возможность проведения технического освидетельствования и ремонта. Для поддержания экономичной и безотказной работы теплообменных аппаратов необходим регулярный контроль за состоянием отдельных элементов оборудования, определение фактических показателей работы аппаратов и сопоставление их с нормативными, анализ причин ухудшения показателей работы и их оперативное устранение.

Определение фактических значений эксплуатационных показателей эффективности работы аппаратов производится на основании данных гидравлических испытаний.

Гидравлическому испытанию подлежат все аппараты после их изготовления. Пробное давление Р_пр при гидравлическом испытании определяется по формуле

,

где Р - расчетное давление, МПа (кгс/см²);

[у]_20,t - допускаемые напряжения для материала соответственно при +20 °С и расчетной температуре t, МПа (кгс/см²),

=1,25∙0,7∙=0,6 МПа.

теплообменный аккумулятор аппарат прибор

Испытание проводят чистой водой с температурой не ниже 5 ^оС и не выше 40 ^оС, которую закачивают с помощью гидравлического насоса в аппарат.

Давление следует поднимать равномерно до достижения им значения пробного.

Давление при гидравлическом испытании контролируется манометрами. После выдержки под пробным давлением давление снижают до расчетного, при котором производят визуальный осмотр наружной поверхности, разъемных и сварных соединений. Не допускается обстукивание аппарата во время испытаний. После проведения гидравлического испытания вода должна быть полностью удалена.

Результаты испытаний считаются удовлетворительными, если во время их проведения отсутствуют:

- падение давления по манометру;

- пропуски испытательной среды (течь, потение, пузырьки воздуха или газа) в сварных соединениях и на основном металле;

- признаки разрыва;

- течи в разъемных соединениях;

- остаточные деформации.

Корпус аппарата и его элементы, в которых при испытании выявлены дефекты, после их устранения подвергаются повторным гидравлическим испытаниям пробным давлением.

Список литературы

1.   П.Д. Лебедев «Теплообменные, сушильные и холодильные установки», М.-Л., 1966г.

2.      В.А. Григорьев «Краткий справочник по теплообменным аппаратам», М.-Л., 1962г.

.        А.М. Бакластов «Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок», М., 1981г.

.        А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский «Основы конструирования»

.        П.Д. Лебедев, А.А. Щукин «Теплоиспользующие установки промышленных предприятий», М., 1970г.

6.      Кутателадзе С.С. «Справочник по теплопередаче» С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанский. М.: Госэнергоиздат, 1959. 414 с.

7.      СНиП 41-03-2003. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. СПб.: Издательство ДЕАН, 2004, 64 с.