Расчет кожухотрубчатого теплообменника типа ТН

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Филиал МЭИ в г. Смоленске

Курсовая работа

по прикладной механике

«Расчёт кожухотрубчатого теплообменника типа ТН»

Преподаватель: Тимошенко Л.А.

Студент: Киселёв К.С.

Смоленск 2012



Введение

Теплообменник, теплообменный аппарат - устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве.



Виды теплообменников

1. Кожухотрубчатые теплообменники;

Рис. 1 Кожухотрубчатый теплообменник

2. Двухтрубные теплообменники типа “труба в трубе”;

Рис. 2 Двухтрубный теплообменник типа “труба в трубе”

Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами.

3. Витые теплообменники;

Поверхность нагрева витых теплообменников компонуется из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители движутся по трубному и межтрубному пространствам. Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.

Рис. 3 Витой теплообменник

4. Погружные теплообменники;

Рис. 4 Погружной теплообменник

Теплообменники этого типа состоят из плоских или цилиндрических змеевиков (аналогично витым), погруженных в сосуд с жидкой рабочей средой. Вследствие малой скорости обмывания жидкостью и низкой теплоотдачи снаружи змеевика погружные теплообменники являются недостаточно эффективными аппаратами. Их целесообразно использовать, когда жидкая рабочая среда находится в состоянии кипения или имеет механические включения, а также при необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (свинец, керамика, ферросилид и др.), для которых форма змеевика наиболее приемлема.

5. Оросительные теплообменники;

Оросительные теплообменники представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой. Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи «калачей». Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов.

6. Ребристые теплообменники

Ребристые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрением с той стороны, которая характеризуется наибольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) используют, например, при нагревании паром воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер.

Рис. 6 Ребристый теплообменник

7. Спиральные теплообменники;

В спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке (керну) и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцовыми крышками.

Рис. 7 Спиральный теплообменник

8. Пластинчатые теплообменники;

Эти теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов. Пластины штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены “в елку” (шаг гофр 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4-7 мм).

К пластинам приклеивают резиновые прокладки круглой и специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал.

Рис. 8 Пластинчатый теплообменник

Существуют также другие виды теплообменников, но они редко применяются. Наиболее используемыми теплообменниками являются кожухотрубчатые теплообменники. Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой.

Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки как и трубном, так и межтрубном пространствах.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткий, полужесткой и нежесткой конструкции.

Аппараты жесткой конструкции используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой устройства.

В кожухотрубчатых теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений.

Не жесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке или корпусе, пучком U-образных труб, подвижной трубной решеткой закрытого и открытого типа.

В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных па корпусе. Полужесткая конструкция надежно обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10-15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,5 кгс/см2.

Далее будем проводить расчёт теплообменника жёсткого типа, т.е. с неподвижными трубными решётками (ТН).

Выбор параметров, неопределенных техническим заданием, и оценка их оптимальной величины

1.1 Определение количества труб в одном ходе аппарата. Необходимое количество труб одного хода:

, (1.1) |1 с.11|

где - площадь проходного сечения,

- площадь проходного сечения трубки.

труб.

1.2 Определение общего количества труб в теплообменнике:

, (1.2) |1 c. 11|

где - число ходов.

труб.

1.3 По ГОСТу 15118-79, учитывая количество и диаметр труб выбираем стандартный теплообменник:



Таблица 1.1

325	300	281	295	10	11	10	9	8	7	100

- наружный диаметр теплообменника,

- внешний диаметр,

- число труб по рядам,

- общее число труб в теплообменнике.

1.4 Выбор способа размещения отверстий в трубной решётке и перегородках.

Размещение отверстий под трубы производится двумя способами: по вершинам равностороннего треугольника и по вершинам квадратов. Для теплообменника ТН определяется по вершинам равностороннего треугольника:

t

Таблица 1.2

25,0	25,5	26,0	32,0

Рис. 9 Размещение отверстий в кожухотрубчатом теплообменнике

Выбор принципиальной схемы

По ГОСТу 15122-79 подбираем стандартный теплообменник типа ТН по числу, длине трубок:

Таблица 2.1

		p		L		A
325	300	1,6	2000	2700	800	1550	100	100

	H/2	h	*				Число
				ТНГ	ТНВ	ТКГ	ТКВ
475***	298	292	575	500	1200	400	700	180	8

Рис. 10 Двухходовой горизонтальный теплообменник о неподвижными решетками

Двухходовой горизонтальный теплообменник типа ТН (рис. 10.) состоит из цилиндрического сварного кожуха 8, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух трубных решетках 3. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 1, 12) и межтрубного (штуцера 2, 10) пространств. Перегородка 13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка 14, уложенная в паз решетки 3.Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки 6, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство предусмотрен отбойник 9 - круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.

Расчет цилиндрической обечайки на прочность

3.1. Расчётная схема

Рис. 11 Расчётная схема цилиндрической обечайки

3.2. Выполняем проектный расчёт нагруженной внешним избыточным давлением :

, (3.1) |2, c.8|

где - давление в кожухе,

- внутренний диаметр кожуха,

- допускаемое напряжение для материала при .

-коэффициент сварного шва.

Определяем толщину обечайки с учётом коэффициента С:

, (3.2) | 2, c. 5|

где С - коэффициент, учитывающий неблагоприятные условия для обечайки.

, (3.3) | 2, c. 5|

где - коэффициент, учитывающий степень коррозии,

,

где - скорость коррозии.

- срок службы теплообменника.

- прибавка на компенсацию отрицательных допусков, зависящая от толщины обечайки.

- технологическая прибавка, предусматривающая компенсацию утонения стенки при технологических операциях (например, штамп, вытяжка и т.д.).

Действительная толщина обечайки:

(3.,4) | 2, c. 5 |

Действительный размер толщины будет значительно больше, что показывает надёжность работы теплообменника.

3.3 Проводим расчёт с учётом заданного давления:

(3.5) | 2, c.8 |



Расчет теплообменных трубок на прочность

4.1. Расчётная схема:

Рис. 12 Расчётная схема трубной решётки

, (4.1) | 2, c.8 |

где давление в трубках,

внутренний диаметр.

- допускаемое напряжение при температуре в трубках

-коэффициент сварного шва.

4.2. Определяем добавочный коэффициент:

4.3. Определяем допускаемое давление в трубках:

(4.2) | 2, c. 8|

4.4. Определяем допускаемое осевое растягивающее усилие трубок:

(4.3) |2, c. 11|

Расчет крышек на прочность

Крышки классифицируются на сферические и эллиптические. При одинаковой металлоёмкости большие давления выдерживают эллиптические нежели сферические, поэтому расчёт ведём эллиптических крышек:

5.1. Расчётная схема:

Эллиптическая крышка с отбортовкой:

Подбираем стандартные значения крышки по ГОСТу для данного значения наружнего диаметра обечайки:

Таблица 5.1

, мм	, мм	, мм	, мм
325	25	81	12	0,12	5,05	12,2

, (5.1) |2, c. 20|

где давление в трубках.

внутренний диаметр обечайки.

- допускаемое напряжение при температуре в трубках

- коэффициент сварного шва.

, (5.2) |2, c. 5 |

где - коэффициент, учитывающий неблагоприятные условия для обечайки.

5.2. Определяем допускаемое давление:

(5.3) |2 c. 21|

Допускаемое давление больше чем заданное - условие надёжности работы выполняется.

Расчет усилий в теплообменнике

Усилия в теплообменниках зависят от его типа. В теплообменниках ТН возникают температурные напряжения. В остальных типах теплообменников температурные усилия отсутствуют или малы и расчёт ведут только от усилий возникающих от давления теплоносителя.

6.1. Определяем температурные усилия:

, (6.1) | 6, с.59 |

где коэффициент температурного расширения,

модуль продольной упругости,

- рабочая температура в кожухе,

- рабочая температура в трубках,

площадь поверхности теплопередачи кожуха,

площадь поверхности теплопередачи трубок.

6.2. Определяем усилия от давления теплоносителя:

, (6.2) | 6, c. 61|

где - наружный диаметр обечайки.

- количество трубок в теплообменнике.

- наружный диаметр трубок.

- внутренний диаметр трубок.

- давление в трубках.

6.3. Определяем напряжения в теплообменнике:

- температурные напряжения в кожухе. (6.3) | 6, c.62|

- температурные напряжения в трубках. (6.4) | 6, c. 62|

- напряжения от давления теплоносителя в кожухе. (6.5) | 6, c. 62|

- напряжения от давления теплоносителя в трубках (6.6) | 6, c. 62|

6.4. Определяем суммарные напряжения в трубках и кожухе:

(6.7) | 6, c. 62|

(6.8) | 6, c. 62|

Расчет трубной решетки на прочность

7.1. Расчёт толщины трубной решётки.

, (7.1) | 6, c. 63|

где - наружный диаметр трубок,

С=10 мм (сталь) - коэффициент, зависящий от материала.

, (7.2) | 6, c. 63|

, ( 7.3) | 6, c. 63|

где - коэффициенты, зависящие от материала и размеров.

, (7.4) | 6, c. 63| , (7.5) | 6, c. 63| , (7.6) | 6, c. 63|

модуль продольной упругости трубки.

количество трубок,

толщина трубок,

модуль продольной упругости обечайки,

наружный диаметр обечайки,

толщина обечайки.

расчётный коэффициент, учитывающие ослабление решётки отверстиями.

, (7.7) | 6, c. 63|

шаг.

допускаемое напряжение в трубках,

коэффициент, зависящий от закрепления трубной решётки.

, (7.8) | 6, c. 63|

внутренний радиус обечайки.

7.2. Проверка трубной решётки на изгиб:

Рис. 14 Расчётная схема расположения отверстий в решётке для нахождения длин ab и cd.

, (7.9) | 6, c. 64|

наибольшее давление,

наибольшее значение полученной толщины трубной решётки,

среднее арифметическое ab и cd.

(7.10) | 6, c. 64|

Рис. 15 Схема креплении трубной решётки к корпусу

7.3. Нахождение длины развальцовки:

, (7.11) | 6, c. 64|

допускаемое давление, т.к. 0,6<1,0 МПа <4МПа, .

осевое усилие в трубках.

(7.12) | 6, c. 64|

температурные усилия в теплообменнике,

(7.13) | 6, c. 66|

усилия, вызванные давлением,

площадь поверхности теплопередачи кожуха,

площадь поверхности теплопередачи трубок.

Рис. 16 Крепление трубок к трубной решётке путём развальцовки с одной канавкой

7.4. Определение надёжности крепления трубок:

труба решетка отверстие развальцовка

(7.14) | 6, c. 66|

(7.15) | 6, c. 66|

,значит увеличиваем толщину трубной решётки до 17,15 мм.



Расчет фланцевых соединений

8.1. Расчётная схема.

Рис. 17 Расчётная схема фланцевого соединения

Таблица 8.1

100	215	180	149	150	18	8	4	3	3

8.2. Расчёт усилий в болтовом соединении.

, (8.1) | 6, c. 32| усилие от давления.

, (8.2) | 6, c. 33| диаметр середины прокладки,

(8.3) | 6, c. 33|

температурные усилия.

, (8.4) | 6, c. 33| коэффициент, зависящий от размеров,

количество болтов во фланцевом соединении,

площадь поперечного сечения стержня болта по внутреннему диаметру резьбы.

(8.5) | 6, c. 33|

модуль продольной упругости болта.

рабочая температура фланцев.

коэффициент температурного расширения.

дополнительный коэффициент.

усилия от деформации прокладки.

(8.6) | 6, c. 33| расчётная ширина прокладки,

, ширина больше 15 мм, значит:

коэффициент, зависящий от материала прокладки,

8.3. Определяем напряжения в болтах и проверяем на прочность.

(8.7) | 6, c. 33|

Таким образом, болтовое соединение работает надёжно.

Выбор опор

9.1. Подбираем опоры для теплообменника по внешнему диаметру.

Размеры в мм.

Таблица 9.1

		[F], кН	R	L	l	B	h	A	m, кг	, кг
325	300	10	4	8	167	400	420	240	180	260	115	165	330	130	10	5

9.2. Расчётные схемы.

Рис. 18 Схема опоры теплообменника

Рис. 19 Схема подвижных и неподвижных опор



Список используемой литературы

1. Методические указания.

2. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

3. ГОСТ 15122-79 . Теплообменники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками с температурным компенсатором на кожухе.

4. ГОСТ 15118-79. Аппараты теплообменные кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Размещение отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках.

5. ГОСТ 12815-80. Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов.

6. Нестеров В.И. «Конструирование рекреационных и теплообменных устройств». Москва, МЭИ, 1985 г.

7. ОСТ 262091-81. Опоры горизонтальных сосудов и аппаратов.

8. Материал с Web сайта:«Универсальная научно-популярная онлайн энциклопедия» http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlennost/TEPLOOBMENNIK.html.

Размещено на Allbest.ru

...