Кожухотрубний теплообмінник

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Перелік скорочень, умовних позначень та термінів

Вступ.

1. Призначення та область використання теплообмінника

1.1 Опис технологічного процесу

1.2 Вибір типу теплообмінника і його місце в технологічній схемі

2. Технічна характеристика

3. Опис та обґрунтування вибраної конструкції

3.1 Опис конструкції, основних складальних одиниць та деталей теплообмінника

3.2 Вибір матеріалів

3.3 Порівняння основних показників обраної конструкції з аналогами

3.4 Відповідність розробленого виробу вимогам охорони праці

4. Розрахунки що підтверджують працездатність і надійність конструкції

4.1 Матеріальний і тепловий баланси. Розрахунок теплового навантаження теплообмінника

4.2 Розрахунок поверхні теплообміну

4.3 Розрахунок товщини стінки обичайки

4.4 Розрахунок товщини стінки еліптичного днища апарата

4.5 Вибір опор

4.6 Гідравлічний розрахунок

4.7 Вибір насоса для перекачування рідини в трубному просторі апарата

5. Рекомендації по монтажу та експлуатації

Висновки

Перелік посилань

Перелік скорочень, умовних позначень та термінів

с - густина розчину, кг/м³;

- об'ємний видаток розчину, м³/с;

С₂ - теплоємність розчину, Дж/кг;

r - питома теплота конденсації гріючої пари;

К - орієнтовне значення коефіцієнта теплопередачі пари,Вт/м ;

м₂ - динамічний коефіцієнт в'язкості, Па ;

- швидкість течії в трубах, м/с;

- критерій Рейнольдса;

л₂ - коефіцієнт теплопровідності, Вт/м ;

- критерій Прайндля;

Nu - критерій Нусельта;

DN - умовний діаметр, мм;

- поправочний коефіцієнт, що враховує вплив на коефіцієнт тепловіддачі відношення довжини труби до її діаметру.

Вступ

У хімічній технології теплообмінні апарати застосовуються для нагрівання й охолодження речовин у різних агрегатних станах, випару рідин і конденсації пару, перегонки і сублімації, абсорбції й адсорбції, розплавлювання твердих тіл і кристалізації, відводу і підведення тепла при проведенні екзо- і ендотермічних реакцій і т.д. Відповідно своєму призначенню теплообмінні апарати називають підігрівниками, холодильниками, випарниками, конденсаторами, дистиляторами, субліматорами і т.п.

За способом передачі тепла розрізняють теплообмінні апарати поверхневі і змішувальні. У першому випадку передача тепла відбувається крізь розділяючі тверді стінки, у другому - безпосереднім контактом (змішуванням) нагрітих і холодних середовищ (рідин, газів, твердих речовин). Поверхневі апарати підрозділяються на рекуперативні і регенеративні. У рекуперативних апаратах тепло від гарячих теплоносіїв до холодних передається крізь поділяючу їхню стінку, поверхню якої називається теплообмінною поверхнею, чи поверхнею теплообміну. У регенеративних апаратах обидва теплоносії позмінно стикаються з однією і тією ж стінкою, що нагрівається (акумулюючи тепло) при проходженні гарячого потоку і що охолоджується (віддаючи акумульоване тепло) при наступному проходженні холодного потоку. Регенератори - апарати періодичної дії, рекуператори можуть працювати як у періодичному, так і в безперервному режимах.

В даній курсовій роботі вирішується задача розрахунку і конструювання кожухотрубного теплообмінника.

1. Призначення та область використання теплообмінника

Спеціальні назви теплообмінних апаратів зазвичай визначаються їх призначенням, наприклад, нагрівачі, випаровувачі, холодильники, конденсатори. Але не дивлячись на велике різноманіття теплообмінників залежно від способу передачі теплоти, виду робочого середовища їх призначення зводиться лише до передачі теплоти від одного, більш гарячого середовища до іншого, більш холодного середовища.

Основними елементами кожухотрубних теплообмінників є пучки труб, трубні решітки, корпус, кришки, патрубки. Кінці труб кріпляться в трубних решітках за допомогою зварювання, пайки та вальцювання. До трубних решіток кріпляться розподілювальні коробки з патрубками для впуску робочої рідини, яка протікає всередині труб. В камері також є патрубки для входу і виходу іншого робочого середовища.

Кожух теплообмінника сталевий циліндричний. Іноді для зменшення температурних деформацій, зумовлених великою різницею температур труб та кожуха влаштовують компенсатор.

Кожухотрубні теплообмінники можуть бути вертикальними, горизонтальними та нахиленими. В залежності від величини температурних деформацій трубок та корпуса є теплообміні апарати жорсткої, напівжорсткої і нежорсткої конструкції.

В даному курсовому проекті вирішується задача розрахунку і конструювання одноходового кожухотрубного теплообмінника з лінзовим компенсатором, який відноситься до рекуперативних поверхневих апаратів [1].

1.1 Опис технологічного процесу

Процеси теплообміну мають велике значення в хімічній, енергетичній, металургійній, харчовій, нафтохімічній та інших галузях промисловості.

Теплообмінні апарати необхідні для передачі теплоти від більш нагрітого теплоносія до менш нагрітого. Вони, як самостійні апарати або частини інших пристроїв широко використовуються на хімічних заводах тому, що проведення технологічних процесів в більшості випадків супроводжується виділенням або поглинанням теплоти. Кожухотрубний теплообмінник відносять до числа найбільш розповсюджених в промисловості поверхневих теплообмінників. Перевагою цих теплообмінних апаратів є простота конструкції. В теплообмінниках даного типу перенос теплоти між робочими середовищами відбувається через поверхню розділу. В даному теплообміннику відбувається процес нагрівання метилового спирту водою. Один із теплоносіїв - СН₃ОН рухається в трубному просторі, а інший - вода, в міжтрубному просторі.

Кожухотрубний теплообмінний апарат, призначений для охолодження розчину спирту, в основному використовується в хімічній та харчовій промисловості [1].

Стабільність роботи теплообмінника досягається деяким збільшенням простору теплообміну в порівнянні з розрахунковим, що забезпечує стійкі показники роботи теплообмінника в умовах поступового забруднення стінок труб.

1.2 Вибір типу теплообмінника і його місце в технологічній схемі

Важливим фактором, який впливає на вибір типу теплообмінника, є вартість його виготовлення та експлуатації.

Теплообмінні апарати всіх типів повинні працювати при оптимальному тепловому режимі, який відповідає поєднанню заданих продуктивності та інших показників технологічних умов з мінімальними витратами тепла.

Основними елементами кожухотрубних теплообмінників є пучки труб, трубні ґратки, корпус, кришки, патрубки.

Усі фізико-хімічні процеси, здійснювані в апаратах, насамперед вимагають наявності ємності, обмеженої корпусом. Ці корпуси за умовами процесів, що протікають у них, повинні бути досить міцними й у переважній більшості випадків герметичними.

До складу корпусу апарата входять також днище та кришки, які приєднуються до обичайки і часто виконуються з однакового матеріалу.

Труби, переважно циліндричні, й, у більшості випадків, вироблені із пластичних матеріалів, у апаратобудуванні мають дуже широке застосування. Труби є основною складовою частиною різних типів трубних теплообмінників. З них виготовляються багато внутрішніх і зовнішніх вузлів і деталей апаратів. Труби великих діаметрів з вуглецевої сталі застосовуються як обичайки для корпусів апарата.

Одним з основних елементів таких апаратів є трубні ґратки, що представляють собою перегородки, в яких закріплюються труби і якими трубний простір відокремлюється від міжтрубного. За формою трубні ґратки бувають круглі, кільцеві та прямокутні. Найбільше поширення мають круглі ґратки, що можуть бути плоскими, сферичними й еліптичними.

Конструкція вузла з'єднання трубної ґратки з обичайкою або корпусом залежить від конструкції апарата. Кришки та днища приєднуються до обичайки за допомогою фланцевих з'єднань.

У зв'язку з важкими умовами роботи в агресивних середовищах, до матеріалів, з яких можуть бути виготовлені основні вузли та деталі теплообмінника, пред'являються підвищені, в порівнянні зі стандартними, вимоги корозійної і механічної стійкості, стійкості і міцності при високих температурах, збереження задовільних пластичних властивостей при високих і низьких температурах, стійкості при знакозмінних чи повторних однозначних навантаженнях (циклічної міцності), малої схильності до старіння та багато інших, які за інших умов не були б настільки важливими.

Для біотехнологічної апаратури переважно застосовуються конструкційні матеріали, стійкі і дуже стійкі в агресивних середовищах. Матеріали зниженої стійкості застосовуються у виняткових випадках, коли доведена доцільність використання їх замість стійких, але більш дорогих і дефіцитних матеріалів.

При виборі матеріалів для апаратів, що працюють під тиском при низьких і високих температурах, необхідно враховувати, що механічні властивості матеріалів істотно змінюються в залежності від температури. Як правило, властивості міцності металів і сплавів підвищуються при низьких температурах і знижуються при високих.

теплообмінник обичайка насос трубний

2. Технічна характеристика

Технічна характеристика кожухотрубного теплообмінника наведена в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 - Технічна характеристика теплообмінника

Параметр	Розмірність	Вихідні дані
Масова продуктивність метанолу	т/год	100
Температура розчину на вході в апарат	о С	30
Температура розчину на виході	о С	65
Температура води на вході	о С	96
Температура води на виході	о С	86
Робочий тиск	МПа	0,1
Поверхня теплообміну	м2	47
Маса апарату	кг	295,8
Габаритні розміри апарату:	м
- ширина		0,125
- висота		0,6255
- довжина		0,6465

3. Опис і обґрунтування вибраної конструкції

3.1 Опис конструкції, основних складальних одиниць та деталей теплообмінника

Поверхневі теплообмінники найбільш поширені, а їх конструкції дуже різноманітні. Конструкція апарата повинна задовольняти певним вимогам, які залежать від конкретних умов перебігу процесу.

При великій швидкості руху води прискорюється рух плівки рідини, що швидше змивається з теплопередаючої поверхні, збільшуючи коефіцієнт тепловіддачі. Домішки речовин, що осідають на стінках, зменшують коефіцієнт теплопередачі. Усі відкладення спричиняють значний термічний опір, зменшуючи коефіцієнт теплопередачі.

Вибираючи апарат, необхідно також брати до уваги простоту і компактність конструкції. Зазвичай конструкції не задовольняють повністю всім вимогам і тому знаходять певні компромісні варіанти.

В одноходових кожухотрубних теплообмінниках сумарний поперечний переріз відносно великий, що обумовлює вибір високих витрат для отримання досить великих швидкостей. Тому їх раціонально застосовувати з процесами, швидкість яких визначається величиною коефіцієнта теплопередачі у міжтрубному просторі, а також з процесами випаровування рідин.

Багатоходові (по трубному простору) кожухотрубні теплообмінники застосовуються в основному в якості парових підігрівачів рідин та конденсаторів. Саме в таких випадках взаємне направлення теплоносіїв не призводить до зниження середньої рушійної сили в порівнянні з протитоком.

Важливим фактором, який впливає на вибір типу теплообмінника, є вартість його виготовлення та експлуатації.

Теплообмінні апарати всіх типів повинні працювати при оптимальному тепловому режимі, який відповідає поєднанню заданих продуктивності та інших показників технологічних умов з мінімальними витратами тепла.

На рисунку 3.1 зображений вертикальний кожухотрубний теплообмінник. В даному кожухотрубному двохходовому теплообміннику СН₃ОН (I) рухається всередині (в трубному просторі), а вода (II) - вміжтрубному просторі. За допомогою поперечних перепон, які знаходяться у теплообміннику, труби розділені на секції, по яким послідовно рухається рідина. У кожній секції знаходиться однакова кількість труб.

Рисунок 3.1 - Двоходовий теплообмінник: 1 - штуцер, 2 - кришка, 3 - труби, 4 - циліндричний кожух, І - речовина що охолоджується, ІІ - речовина що охолоджує

Основними елементами кожухотрубних теплообмінників є пучки труб, трубні ґратки, корпус, кришки, патрубки.

Усі фізико-хімічні процеси, здійснювані в апаратах, насамперед вимагають наявності ємності, обмеженої корпусом. Ці корпуси за умовами процесів, що протікають у них, повинні бути досить міцними й у переважній більшості випадків герметичними.

До складу корпусу апарата входять також днище та кришки, які приєднуються до обичайки і часто виконуються з однакового матеріалу.

Труби, переважно циліндричні, й, у більшості випадків, вироблені із пластичних матеріалів, у апаратобудуванні мають дуже широке застосування. Труби є основною складовою частиною різних типів трубних теплообмінників. З них виготовляються багато внутрішніх і зовнішніх вузлів і деталей апаратів. Труби великих діаметрів з вуглецевої сталі застосовуються як обичайки для корпусів апарата.

Одним з основних елементів таких апаратів є трубні ґратки, що представляють собою перегородки, в яких закріплюються труби і якими трубний простір відокремлюється від міжтрубного. За формою трубні ґратки бувають круглі, кільцеві та прямокутні. Найбільше поширення мають круглі ґратки, що можуть бути плоскими, сферичними й еліптичними.

Конструкція вузла з'єднання трубної ґратки з обичайкою або корпусом залежить від конструкції апарата. Кришки та днища приєднуються до обичайки за допомогою фланцевих з'єднань.

У зв'язку з важкими умовами роботи в агресивних середовищах, до матеріалів, з яких можуть бути виготовлені основні вузли та деталі теплообмінника, пред'являються підвищені, в порівнянні зі стандартними, вимоги корозійної і механічної стійкості, стійкості і міцності при високих температурах, збереження задовільних пластичних властивостей при високих і низьких температурах, стійкості при знакозмінних чи повторних однозначних навантаженнях (циклічної міцності), малої схильності до старіння та багато інших, які за інших умов не були б настільки важливими [1].

3.2 Вибір матеріалів

Для теплообмінників хімічних виробництв переважно застосовуються конструкційні матеріали, стійкі і дуже стійкі в агресивних середовищах. Матеріали зниженої стійкості застосовуються у виняткових випадках, коли доведена доцільність використання їх замість стійких, але більш дорогих і дефіцитних матеріалів.

При виборі матеріалів для апаратів, що працюють під тиском при низьких і високих температурах, необхідно враховувати, що механічні властивості матеріалів істотно змінюються в залежності від температури. Як правило, властивості міцності металів і сплавів підвищуються при низьких температурах і знижуються при високих.

Беручи до уваги властивості і параметри (температура, тиск) робочих середовищ в апараті для виготовлення металевих елементів апарата, які контактують з оброблювальними середовищами (теплоносіями) використовуємо сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72. А для решти металевих елементів використовуємо конструкційну вуглецеву сталь звичайної якості марки Ст3 ГОСТ 380-94.

Для виготовлення ущільнювальних прокладок фланцевих з`єднань використовуємо пароніт маслобензотривкий ПМБ ГОСТ 481-80.

Для виготовлення кріпильних елементів використовуємо конструкційну вуглецеву сталь підвищеної якості марки Сталь 35 ГОСТ 1050-88 [1].

3.3 Порівняння основних показників обраної конструкції з аналогами

Як було вказано вище, кожухотрубні теплообмінні апарати є найбільш поширеними через свою простоту та зручність. Найпростішим являється одноходовий кожухотрубний теплообмінник, який складається з кожуха та приварених до нього трубних решіток. В трубних решітках закріплений пучок труб. Найбільш поширене розміщення труб в трубних решітках -- по вершинам правильних шестикутників. Але використовуються і інші -- по вершинам квадратів та концентричними колами. До трубних решіток кріпляться кришки. Одне з середовищ рухається у трубному просторі, а інше - в міжтрубному просторі. Середовища зазвичай направляють протитоком один до одного.

Багатоходові кожухотрубні теплообмінники аналогічні одноходовим, але за однієї відмінності: труби поділені на секції чи ходи за допомогою поперечних перегородок, що встановлені в кришках теплообмінника. Внаслідок меншої площі сумарного поперечного перерізу труб, розміщених в одному ході, порівняно з поперечним перерізом всього пучка труб, швидкість рідини в трубному просторі багатоходового теплообмінника збільшується (в порівнянні зі швидкістю в одноходовому) в число разів, яке рівне числу ходів.

Рисунок 3.2 - Багатоходовий кожухотрубний теплообмінник: 1 - кожух; 2 - трубні решітки; 3 - труби; 4 - кришки; 5 - перегородки у кришках; 6 - перегородки у між трубному просторі

Якщо різниця температур труб і кожуха достатньо велика (більше 50 ⁰С), то труби і кожух не однаково розтягуються, що призводить до значного навантаження в трубних решітках, порушенню щільності з'єднання труб з трубними решітками, а це може спричинити змішування теплоносіїв або деформації труб. Тому при таких умовах використовують теплообмінники нежорсткої конструкції.

Теплообмінник з плаваючою головкою використовують при значних переміщеннях труб і кожуха, оскільки в ньому одна із трубних решіток не з'єднана з кожухом і може вільно переміщатися повздовж осі при температурних подовженнях.



Рисунок 3.3 - Кожухотрубчатий теплообмінник з плаваючою головкою: I - відкритого типу; II - закритого типу; 1 - кожух; 2 - трубна решітка, що рухається; 3 - труби;4 - кришка.

Теплообмінники з лінзовим компенсатором застосовують при невеликих температурних деформаціях (не більше 10-15 мм) і невисокому тиску в між трубному просторі.

В теплообміннику з U- подібними трубами два кінця труб закріплені в одній трубній решітці, що дозволяє трубам вільно подовжуватися. Але в цих апаратах затрудняється очищення внутрішніх стінок.

Рис.3.4 Кожухотрубний теплообмінник з U-подібними трубками: 1 - кожух; 2 - трубна решітка; 3 - U-подібні трубки; 4 - кришка

Елементні теплообмінники складаються з послідовно з'єднаних секцій. Кожний елемент такого теплообмінника являє собою найпростіший кожухотрубний теплообмінник. Теплообмінник, який складається з таких елементів, допускає незначні надлишкові тиски в міжтрубному просторі. В цих апаратах взаємний рух середовищ наближається до схеми протитоку, але внаслідок розділення загальної поверхні теплообміну на окремі елементи конструкція стає більш громіздкою і вартість теплообмінника зростає.

Двотрубні теплообмінники типу «труба в трубі» складаються з декількох послідовно з'єднаних трубчатих елементів. Один теплоносій рухається внутрішніми трубами, а інший по кільцевому проміжку між внутрішніми і зовнішніми трубами.

Рис. 3.5 Двотрубний теплообмінник типу «труба в трубі»: 1 - внутрішні труби; 2 - зовнішні руби; 3 - калач; 4 - патрубок

Внутрішні труби з'єднуються калачами, а зовнішні - патрубками. Завдяки невеликим поперечним перерізам трубного та міжтрубного простору досягаються високі швидкості рідини. Це дозволяє отримувати високі коефіцієнти теплопередачі. Але разом з цим такі теплообмінники більш громіздкі і вимагають більшого споживання металу на зовнішні труби, які не беруть участь в теплообміні [1].

3.4 Відповідність розробленого виробу вимогам охорони праці

Теплообмінник являє собою апарат, який працює під тиском. Основною небезпекою при роботі таких апаратів є можливість їх пошкодження при фізичному вибуху середовища. Під фізичним вибухом розуміють миттєву дію сили раптового адіабатичного розширення газу (пару), яке супроводжується виділенням механічної енергії і створенням вибухової хвилі.

Причинами аварій можуть бути: невідповідність конструкції максимально допустимому тиску і температурному режиму; перевищення тиску в апараті; зниження механічної міцності апарата (корозія, внутрішні дефекти металу, місцеве перегрівання); відсутність необхідного технічного нагляду.

Для запобігання вище названих причин теплообмінний апарат має відповідати вимогам безпеки. Відповідно до стандарту ГОСТ 12.2.003-91 виробниче обладнання повинно забезпечувати вимоги безпеки при монтажі, експлуатації, ремонті, транспортуванні і зберіганні, при використанні окремо або в складі комплексів та технологічних систем.

Виробниче обладнання в процесі експлуатації не повинно забруднювати навколишнє середовище викидами шкідливих речовин вище встановлених норм; повинно бути пожежо- та вибухобезпечним; не повинно викликати небезпеку в результаті дії вологи, сонячної радіації, механічних коливань, високих та низьких тисків та температур, агресивних речовин і інших факторів.

Вимоги безпеки висуваються обладнанню протягом всього терміну його використання. Власне безпека виробничого обладнання повинна забезпечувати наступним вимогам:правильним вибором принципів дії, конструктивних схем, безпека елементів конструкції, матеріалів та інше; застосуванням в конструкції засобів механізації, автоматизації і дистанційного керування; застосуванням в конструкції спеціальних засобів захисту; виконанням ергономічних вимог; включенням вимог безпеки в технічну документацію, ремонт, транспортування і зберігання.

Згідно з вимогами на всі основні групи виробничого обладнання розробляються стандарти вимог, які включають наступні вимоги:

а) вимоги безпеки до основних елементів конструкції і системи керування, обумовленні особливостями призначення, пристрою та роботи даної групи виробничого обладнання і його складових частин: попередження або обмеження можливого впливу небезпечних та шкідливих виробничих факторів до регламентованих рівнів; усунення причин, що призводять до виникнення небезпечних та шкідливих факторів; будова органів керування та інші вимоги.

б) у стандартах на окремі групи виробничого обладнання вказуються: рухомі, струмоведучі та інші ведучі частини, що придатні до огородження; допустимі значення шумових характеристик і показників вібрації, методи їх визначення і засоби захисту від них; допустимі рівні випромінювань і методи їх контролю; допустимі температури органів керування і зовнішніх поверхонь виробничого обладнання; допустимі зусилля на органи керування; наявність захисних блокувань, тормозних пристроїв і інших засобів захисту.

в) вимоги до засобів захисту, що входять в конструкцію, що обумовленні особливостями конструкції, розташування, контролю роботи і застосовуючи засобів в тому числі вимог до захисних огород, екранів і засобів захисту від ультразвуку, іонізуючих та інших випромінювань; до засобів видалення з робочої зони речовин з небезпечними та шкідливими властивостями; до захисний блокувань; засобів сигналізації; до сигнального зафарбованого виробничого обладнання і його складовий частин; до попереджувальний написів.

г) вимоги безпеки, що визначаються особливостями монтажних і ремонтних робіт, транспортування та зберігання, характерні для груп виробничого обладнання, що забезпечує безпеку виконання вказаних робіт, в тому числі до пристрою, що використовується для підйому і транспортування [2].

4. Розрахунки що підтверджують працездатність і надійність конструкції

4.1 Матеріальний і тепловий баланси. Розрахунок теплового навантаження теплообмінника

Мета розрахунку: визначення площі поверхні теплообміну, а також основних розмірів (діаметр кожуха і довжину теплообмінних труб) теплообмінного апарата.

Вихідні дані:

- початкова температура СН₃ОН, ^о С 30

- кінцева температура СН₃ОН, ^о С 65

- температура води, що нагріває, початкова, ^о С 96

- температура води, що нагріває, кінцева, ^о С 86

- масова продуктивність, кг/с 27,7

- витрати теплоти, % 5

Розрахунок проводиться за методикою, викладеною в [3].

Знайдемо витрати теплоти та витрати води.

1. Попередньо знайдемо середню температуру гарячої води та культуральної рідини:

Середній температурний напір:



Рисунок 4.2.Схема взаємного напрямку руху теплоносіїв та зміни їх температури протягом процесу теплообміну.

2. З урахуванням втрат теплоти кількість теплоти:

3. Витрата гарячої води:

4. Об'ємні витрати гарячої води та розчину метилового спирту:

5. Для визначення орієнтовної площі поверхні теплообміну приймемо орієнтовний коефіцієнт теплопередачі [1, таблиця 4.8], приймемо його таким, як при теплообміні від рідини до рідини:

Попередньо приймаємо критерій Рейнольдса, Re =12000.

Швидкість розчину метилового спирту в трубному просторі визначається за формулою:

Розрахункова кількість труб з діаметром 25Ч2 мм, що будуть забезпечувати об'ємну витрату розчину при Re =12000:

Обираємо теплообмінник з трубами 25Ч2 мм,[1, таблиця 4.12]:

Поверхня теплообміну: F_a=26м²

Довжина труб: L=3м

Число труб: n=111

Діаметр кожуха (зовнішній): D=0,4м

Площа поперечного перерізу в трубному просторі:

Площа поперечного перерізу в міжтрубному просторі:

Еквівалентний діаметр міжтрубного простору:

6. Швидкість руху теплоносіїв:

7. Критерій Рейнольдса:

8. Значення критеріїв Прандтля для води та метанолу:

при

при

при

при

9. Критерій Нуссельта:

10. Коефіцієнти тепловіддачі:

12. Коефіцієнт теплопередачі:

Де - коефіцієнт теплопровідності для нержавіючої сталі марки08Х13: .

13. Розрахункова площа поверхні теплообміну апарата:

Висновок: застосуємо двоходовий кожухотрубний теплообмінник з внутрішнім діаметром кожуха 400 мм, кількістю труб 100 (50 труб на один хід) і довжиною труб L = 3 м [3].

Визначення дійсних температур на поверхні стінок теплообмінника

14. Поверхнева густина теплового потоку:

15. Визначення температури стінки з боку води:

16. Визначення температури стінки з боку метанолу:

17. Середня температура стінки:

4.2 Розрахунок діаметра патрубків. Визначення вильоту штуцерів

Мета розрахунку: вибір основних розмірів елементів теплообмінника.

Вихідні дані:

- масова продуктивність, кг/с 27,7

- теплоносій у трубному просторі СН₃ОН

- теплоносій у міжтрубному просторі вода

- загальна кількість труб 100

- теплообмінні труби, мм Ш252

– крок розташування у трубній решітці t, мм 32

Розрахунок проводиться за методикою, викладеною в [3].

Розміщення труб в трубних решітках

Для шахового пучка труб зв'язок між загальною кількістю труб на діагоналі (b) і на стороні (а) шестикутника виражається:

n = 3a(a - 1) + 1,

b = 2a - 1,

100 = 3а(a - 1) + 1,

100 = 3а² - 3а + 1,

3а² - 3а - 99 = 0,

а = 5; b = 2·5 - 1 = 9

Визначимо діаметри штуцерів.

Об'ємна витрата метанолу:

Розрахунковий діаметр штуцерів для метанолу:

Об'ємна витрата води:

Розрахунковий діаметр штуцерів для води:

4.3 Розрахунок товщини стінки обичайки

Мета розрахунку: розрахувати товщину стінки обичайки.

Вихідні дані:

- коефіцієнт шва 0,95

- поправка на корозію, мм 1

- поправка на округлення стінки, мм 1,01

- тиск в обичайці, МПа 140

Розрахунок проводиться за методикою, викладеною в [4].

Розрахункова схема еліптичної кришки показана на рисунку 4.1.

Рисунок 4.1 - Схема розрахунку товщини стінки обичайки

Вибираємо зварну циліндричну обичайку вертикального апарату, працюючого під внутрішнім тиском. Матеріл -сталь Х18Н10Т, _д=140 МПа.

Визначаємо відношення визначаючих параметрів із врахуванням коефіцієнта міцності шва _ш:

, тому номінальну розрахункову товщину стінки обичайки розраховуємо так:

Поправка на округлення товщини листа сталі по сортаменту: c₀ =1,01 мм.

Поправка на корозію: c_k = 1 мм.

Товщина стінки із врахуванням поправок :

s = s' + c_k + c₀ = 0,15 + 1 + 1,01 = 2,16 мм.

Перевіримо умову виправданості використання попередніх формул:

Допустимий тиск в обичайці

Висновок: приймаємо стандартний лист товщиною 0,005 м [4].

4.4 Розрахунок товщини стінки еліптичного днища апарата

Метою розрахунку: визначення товщини стінки еліптичної кришки і перевірка її на міцність.

Вихідні дані:

діаметр апарата D, м 0,4;

розрахунковий тиск в середині апарата Р, МПа 0,769;

допустиме напруження у робочому стані у, МПа 140;

матеріал Ст 3

Розрахункова схема еліптичної кришки показана на рисунку 4.2.

Рисунок 4.2 - Схема до розрахунку еліптичної кришки

Розрахункова товщина стінки:

Додаток до розрахункової товщини:

де С_о=1,05 - округлення стінки

Виконавча товщина стінки циліндричної обичайки:

За результатами розрахунку, враховуючи додатки на товщину, остаточно приймаємо товщину стінки S = 5 мм = 0,005 м [4].

Висота еліптичної частини кришки:

=400/4=100 мм

Допустимий тиск, що може витримати кришка при:

Висновок: приймаємо еліптичну кришку за ГОСТ6533-78 з такими параметрами:

внутрішній діаметр Dвн, м 0,4;

товщина стінки S, м 0,005;

висота еліптичної частини H, м 0,1;

висота циліндричної частини (відбортовки) h, м 0,05

4.5 Вибір опор

Мета розрахунку: вибір стандартної опори для горизонтального апарату.

Вихідні дані:

- внутрішній діаметр труб, мм 21

- довжина труб, м 3,0

Розрахунок проводиться за методикою, викладеною в [4].

G - допустима нагрузка.

Висновок: вибираємо 2 опори (лапи) для вертикального апарату з нагрузкою на одну лапу 2600 Н [4].

4.6 Гідравлічний розрахунок

Мета розрахунку: визначення витрат тиску під час проходження води у міжтрубному просторі апарата, визначення швидкості руху метанолу та коефіцієнта тертя.

Вихідні дані:

- витрата води, кг/с 27,7

- кількість труб 100

Розрахунок проводиться за методикою, викладеною в [4]

Розрахунок швидкості руху рідини у трубах.

.

Коефіцієнт тертя л для турбулентного режиму в шорсткуватих трубах.

,

,

де - відносна шорсткість труб, Д = 8•10^-5 м - абсолютна шорсткість для нових стальних труб .

.

Втрати тиску в трубному просторі:

,

де - сума коефіцієнтів місцевого опору потоку в трубному просторі.

,

де _тр1 = 1,5 - вхід та вихід з камери; _тр2 = 2,5 - поворот між ходами; _тр3 = 1,0 - вхід в труби; _тр4 = 1,0 - вихід з труб.

Висновок: таким чином витрати тиску в трубному просторі становлять 30958,26 Па [4].

4.7 Вибір насоса для перекачування рідини в трубному просторі апарата

Мета розрахунку: вибрати насос для перекачування рідини в трубному просторі.

Вихідні дані:

- масова витрата СН₃ОН, кг/с 27,7

- середня температура, ^о С 42,4

Розрахунок проводиться за методикою, викладеною в [4].

Підберемо насос для перекачування метанолу при температурі 42,4 ^оС в апараті. Корисна потужність, яка витрачається на переміщення води крізь трубний простір теплообмінника, дорівнює:

,

Потужність, яку повинен розвивати електродвигун насоса:

де зн = 0,7 - ККД насоса; зп ? 1 - ККД передачі для центробіжних насосів .

Висновок: насос, який найбільше відповідає заданим параметрам: марка Х2/25, для якого при оптимальних умовах роботи продуктивність становить 4,2·10^-4 м³?с, Н = 25 м. Насос обладнаний електродвигуном АОЛ-12-2 з номінальною потужністю Nн = 1,1 кВт, частота обертання валу n = 50 об /с [4].

5. Рекомендації по монтажу та експлуатації теплобмінника

Складальні роботи з монтажу полягають в установці апаратів на фундаменті, установці і приєднанні допоміжного устаткування, приєднання трубопроводів, деталей вузлів підведення і відводу продуктів, установці приладів теплового контролю й автоматичного регулювання. У процесі монтажу виявляється й усуваються дефекти конструкції і виготовлення апаратури. Одночасно здійснюється налагодження роботи апарата з метою підготовки до експлуатації.

Проектом виробництва монтажно-складальних робіт передбачається звичайно наступна послідовність операцій зборки:

установка корпуса апарата на фундамент;

установка граючої поверхні усередині апарата;

установка обслуговуючих сходин;

установка елементів, що знаходяться усередині апарата;

установка кришок апарата;

припасування і приєднання всіх трубопроводів;

установка арматури і контрольно-вимірювальних приладів;

герметизація місць з'єднання апарата (кришок, фланців і т.д.);

приєднання допоміжних механізмів і пристроїв;

установка огороджень;

випробування апарата на герметичність і здача інженеру Держтехнагляду;

обкатування механізмів у плині одного робочого тижня;

спробна експлуатація установки;

проведення теплоізоляційних робіт;

здача установки в експлуатацію.

Для дотримання правильного експлуатаційного режиму тепловикористовуючих установок необхідні:

справність і безперебійність роботи устаткування;

високий рівень кваліфікації обслуговуючого персоналу;

забезпеченість необхідними видами енергії і раціональна її витрата.

Для безперебійної роботи устаткування необхідний: достатній резерв основного і допоміжного устаткування і дотримання правил технічної експлуатації, своєчасне виконання планово-попереджувальних ремонтів устаткування і наявність запасних частин для вузлів і деталей, які швидко зношуються [5].

Висновки

Вданій курсовій роботі було спроектовано вертикальний кожухотрубний теплообмінник з метою нагрівання розчину спирту водою.

Встановлено призначення та область використання даного теплообмінника, описано конструкцію та основні параметри апарату.

З метою визначення технічних характеристик апарату було виконано параметричні розрахунки теплообмінника: тепловий, конструктивний. Було встановлено: площу теплообміну - 26 м², кількість - 100, та довжину труб - 3 м, діаметр кожуха - 400мм, діаметри штуцерів і відповідних фланців, а також характеристики опор.

Проведено вибір матеріалів та порівняно даний двоходовий теплообмінний апарат з іншими видами апаратів, за для доцільності його використання. Проаналізовані переваги і недоліки даного апарату.

Вказано джерела небезпеки при роботі з апаратом і надано необхідні інструкції для забезпечення захисту обслуговуючого персоналу.

Перелік посилань

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.- М.: Химия, 1971. - 784 с.

2. Пряников В.И. Техника безопасности в химической промышленности. - М.: Химия, 1989. - 288 с.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987.- 576с.

4. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры / А.А. Лощинский, А.Р. Толчинский. - Л.: Машиностроение, 1970. - 752 с.

5. Мікульонок І.О. Конструювання фланцевих з'єднань стальних посудин та апаратів. - К.: ІЗМН, 1997. - 152 с.

6. Михеев М.А., Михеева Н.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977. - 342 с.

7. Марчевський В.М. Конструкторська документація курсових і дипломних проектів: Навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл. - К.: Норіта-плюс, 2006. - 280 с.:іл.. ISBN 966-2975-04-7.

Размещено на Allbest.ru

...