Проект кожухотрубчатого теплообменника для охлаждения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание на курсовой проект

Введение

1. Описание технологической схемы установки

2. Тепловой расчет

3. Гидравлический расчет

4. Механический расчет

5. Техника безопасности при работе на аппарате

Список литературы



Задание на курсовой проект

Цель курсовой работы: Спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения G (кг/с) подпрессового бульона 12% от начальной температуры t_н до конечной t_к (°С) хладагентом - морской водой с начальной t_н1 и конечной температурой t_к1= t_н1±5…10 °С. Продукт поступает в трубки с наружным диаметром d и толщиной b. Исходные данные указаны в задании. температурный теплообменник хладагент



Введение

Для создания и поддержания температурного режима в химических, массообменных и других процессах химической технологии и защиты окружающей среды необходимо осуществлять подвод или отвод тепловой энергии от рабочей среды. В промышленности для проведения таких процессов широко применяют кожухотрубчатые теплообменные аппараты, которые просты по конструкции, надежны в эксплуатации и могут иметь площадь поверхности теплообмена до 1000 м² . При разработке теплообменных аппаратов необходимо, как правило, решать следующие задачи: определение тепловой нагрузки на аппарат; обоснованный выбор теплоносителя, который будет двигаться по трубному пространству; предварительный проектный расчет необходимой поверхности теплообменника; выбор стандартного теплообменного аппарата и схемы движения теплоносителей через него; расчет кинетики теплопередачи в выбранном аппарате и проверка наличия необходимого запаса поверхности; гидравлический расчет теплообменника; конструирование теплообменного аппарата. Классификация теплообменников возможна по нескольким признакам. По способу передачи тепла различают теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники - рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева - твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

По основному назначению различают подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы. В зависимости от вида рабочих сред различают теплообменники:

- жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;

- паро-жидкостные - при теплообмене между паром и жидкостью;

- газо-жидкостные - при теплообмене между газом и жидкостью.

Конструкция кожухотрубного теплообменника заключается в следующем. В наружную трубу большого диаметра - кожух помещен пучок трубок, концы трубок развальцованы в трубных решетках, чем обеспечивается герметичность межтрубного пространства. Сверху и снизу трубные решетки закрыты крышками, которые с помощью прокладок и фланцев герметично соединяются с решеткой и корпусом. При большой высоте аппараты могут устанавливаться на межэтажном перекрытии с помощью опорных лап. Первый теплоноситель проходит по трубам, а второй подается в межтрубное пространство, охлаждая его.



1. Технологическая схема установки

Рисунок 1. Технологическая схема установки теплообменника.

2. Тепловой расчет аппарата

Таблица 1. Исходные данные

№ варианта	Продукт	Хладагент	G, кг/с	tнпр, С°	tкпр, С°	tнхл, С°	d*b, мм
1	Подпрессовый бульон 12%	Морская вода	3,0	90	25	4	25*2

Таблица 2. Данные по продукту и хладагенту при средней температуре

	Спр, Дж/кг*К	tср, єС	м, Па*с	л, В/м*К	с, кг/м3
Подпрессовый бульон 12%	3974 ( по соку криля)	57,5	0,00123	0,53	1021
Морская вода	3249	-5	0,0025	0,534	1196

Расчет тепловой нагрузки:

Q_пр=G c_пр(t_н-t_к) (2.1)

где с_пр- удельная теплоемкость продукта при средней температуре, Дж/кг*К;

G- скорость движения продукта по трубам, кг/с;

t_н- начальная температура продукта, С°;

t_к- конечная температура продукта, С°.

Q_пр = 3,0*3974*(90-25) = 774930 Вт.

Средняя температура продукта:

t_ср= 90+25/2 = 57,5 єС

Расход хладагента. Задаем конечную температуру хладагента

t_кхл =14 єС, тогда:

G_хл=Q/с_хл(t_к-t_н) (2.2)

где с_хл- удельная теплоемкость хладагента при средней температуре, Дж/кг*К;

t_к- конечная температура хладагента, С°;

t_н- начальная температура хладагента, С°.

G_хл = 774930/3249*10 =23,85 кг/с.

Задаем противоток, и определяем среднюю разность температур потоков между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата:

?t_ср =?t_б-?t_м / ln(?t_б/?t_м) (2.3)

где ?t_б- разность больших температур, єС;

?t_м- разность меньших температур, єС.

?t_ср =76-21/ln3,6 = 42,96 єС.

Ориентировочное значение поверхности теплообмена:

F_ор=Q/K?t_ср (2.4)

где К- коэффициент теплопередачи (800-1700 Вт/м²К), принимаем К=800.

F_ор=774930/800*42,96 = 22,54 м²

Задаем число Re 5000, режим вещества в трубах переходный, определяем соотношение n/z:

n/z = 4G_пр/dмRe (2.5)

где n-общее число труб;

z- число ходов по трубному пространству;

d- внутренний диаметр труб (м);

м- динамическая вязкость продукта при средней температуре.

n/z = 4*2.5/3.14*0.016*0.007*5000=10/1.76 = 5,7

Поверхность теплопередачи нормализованных теплообменников, а также параметры конструкций, приведены в табл. 2.3 [1] на основании ГОСТ.

Находим по ГОСТ:

Д_кож= 400 мм, d_тр=25*2 мм, z=2, n=100 шт, F_пов=24,0 м², L_тр=3 м,

F_межтр=0,020 м², F_1х=0,017 м²

Находим критерии:

Рейнольдса

Re=4G_пр/d(n/z)м_пр (2.6)

Re=4*3,0/3,14*0,021*50*0,00123=3000

Режим движения переходный (2300< Re <10000), используем формулу:

Nu=0,08*Re^0.9*Pr^0.43 (2.7)

Прандтля

Pr=c_пр*м_пр/л_пр (2.8)



Pr=3974*0,00123/0,53 = 9,2

Коэффициент теплопередачи к продукту, движущемуся по трубам горизонтального теплообменника, в соответствии с формулой (2.7) равен:

Nu=0.08*3000^0,9*9,2^0,43=0.08*1347*2,6 = 280,17

б₂=(л/d)*Nu (2.9)

где d- внутренний диаметр труб (м).

б₂= (0.53/0.021)*280.17 = 7068.7 Вт/м²К

Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны продукта и хладагента (табл. 2.2 [1]):

?=(д/л)+r_зхл+r_зпр (2.10)

?= (2*10^-3/17,5)+18*10^-5+18*10^-5 = 0,00047 м²К/Вт

где r_зхл, r_зпр- термические сопротивления загрязнений продукта и хладагента, (18*10^-5 м²К/Вт);

д- толщина стенки трубы, м;

л- теплопроводность материала, Вт/мК.

Коэффициент теплопередачи к хладагенту:

б₁=Nu*л_хл/d_хл (2.11)

где л- теплопроводность хладагента, Вт/мК;

d- внешний диаметр труб, мм.

Скорость движения продукта в трубах:

щ= G_хл/ F_мтр*с (2.12)



где F_мтр- площадь самого узкого сечения потока в межтрубном пространстве, м²;

с- плотность хладагента при средней температуре, кг/м³.

щ=23.85/0.020*1196 = 1 м/с

Re=щdс/м (2.13)

где м- динамическая вязкость хладагента, Па*с;

d- внешний диаметр труб, мм;

щ-скорость хладагента, м/с;

с-плотность хладагента кг/м³.

Re= 1*0.025*1196/0.0025=11960

Режим движения хладагента турбулентный, задаём расположение труб-шахматное.

Для шахматных пучков [2]:

Nu_хл=0.4?цRe^0,6 Pr^0,36 (Pr/Pr_ст)^0,25 (2.14)

где коэффициентом ?ц учитывается влияние угла атаки ц (табл. 4.5 [2]), ?ц принимаем за 1;

Pr_ст- критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки;

(Pr/Pr_ст)^0,25- в расчете коэффициентов можно принять = 1.

Критерий Прандтля для хладагента рассчитываем по формуле (2.8):

Pr =3249*0,0025/0,534=15.16

Nu_хл=0,4*1*(11960)^0,6(15.16)^0,36*1=0,4*279.6*2,6 = 290.7

Коэффициент теплопередачи к хладагенту находим по формуле (2.11):

б₁= 290.7*0,534/0,025=6209.3 Вт/м²К

С целью вычисления коэффициента теплоотдачи задаемся в первом приближении ?t₂=10 °C. Распределение температур в процессе теплопередачи от хладагента через стенку продукту определяется по следующим формулам:

?t_ст=б₂*?t₂*?(д/л) (2.15)

?t₁=?t_ср*?t_ст*?t₂ (2.16)

?t_ст =7068.7*10*0,00047=33.22 °С

?t₁=42.96-33.22-10= -0.22 °С

Проверим правильность сближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q₁^'=б₁^'*?t₁=6209.3*-0.22= -1366 Вт/м²

q₂^'= б₂^'*?t₂=7068.7*10=70687 Вт/м²

Как видим, q1 ? q2.

Для второго приближения примем ?t₂=7.9 °C. Тогда производим расчет по формулам (2.15-2.16):

?t_ст=7068.7*7.9*0,00047=26.24 °С

?t₁=42.96-26.24-7.9= 8.82 °С

Проверим правильность сближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

q₁^"=б_1*?t₁=6209.3*8.82=54766 Вт/м²

q₂^"= б₂*?t₂=7068.7*7.9=55842.7 Вт/м²

Как видим, q₁^" ? q₂^"_, 1,9%.

Если расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 5%, расчет коэффициентов б₁ и б₂ заканчивают.

Коэффициент теплопередачи:

К=1/(1/б₁)+(1/б₂)+?(д/л) (2.17)

К = 1/(1/6209.3)+(1/7068.7)+0,00047 = 1/0,00067 = 1492.5 Вт/м²К

Требуемая поверхность в соответствии с формулой (2.4):

F=774930/1492.5*42.96=12.08 м²

Принимаем теплообменник номинальной поверхностью F_н=16 м² и трубами длиной 2 м (табл. 2.3 [1]), подходит с запасом ?= 32 %

Масса теплообменника (табл. 2.4[1]) М=820 кг.

3. Гидравлический расчет аппарата

Скорость продукта в трубах:

щ_тр=G_пр/(d²/4)*с*(n/z) (3.1)

щ_тр=3.0/(3.14*0.021²/4)*1021*50=3.0/15.31= 0,195 м/с

Скорость продукта в штуцерах:

щ_тршт=4 G_пр/d²_штс (3.2)

где d_шт-диаметр штуцера в распределительной камере ( d=0,15 м, табл. 2.5 [1])

щ_тршт =4*3.0/3.14*0.15²*1021= 0,166 м/с

Коэффициент трения:

л=64/Re (3.3)

л=64/3000=0.021

Гидравлическое сопротивление трубного пространства:

?P_тр=л*(l*z/d)*( щ_тр²*с_пр/2)+3(щ_тршт²* с_пр/2)+(2,5(z-1)+2z)*(щ_тр²*с_пр/2) (3.4)



?P_тр=0.021(2*2/0.021)*(0.195²*1021/2)+3(0.166²*1021/2)+(2.5(2-1)+2*2)*

*(0.195²*1021/2)=0.021*190.47*19.39+3*13.78+6.5*19.39=77.55+41.34+

+126=245 Па

Скорость жидкости в штуцере на входе в межтрубное пространство:

щ_ш1=4G_хл/d_ш²с_хл (3.5)

где с_хл- плотность хладагента при начальной температуре, кг/м³.

щ_ш1=4*23.85/3,14*0,15²*1199=95.4/86.59=1,1 м/с

Скорость жидкости в штуцере на выходе из межтрубного пространства:

щ_ш2=4G_хл/d_ш²с_хл (3.6)

где с_хл- плотность хладагента при конечной температуре, кг/м³.

щ_ш2=4*23.85/3,14*0,15²*1193=95.4/86.15=1,1 м/с

Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства:

щ_мтр=G_хл/F_мтрс_хл (3.7)

где с_хл- плотность хладагента при средней температуре, кг/м³.

щ_мтр=23.85/0,020*1196= 0,99 м/с

Сопротивление межтрубного пространства:

?P_мтр=??(щ_мтр²*с_мтр/2) (3.8)

где щ_мтр-скорость рабочей среды в самом узком сечении межтрубного пространства, м/с;

??- сумма коэффициентов местных сопротивлений потоку, движущемуся в межтрубном пространстве [1]:

?₁=1,5 - вход и выход жидкости;

?₂=1,5 - поворот через сегментную перегородку;

?₃= 3m/Re_мтр^0,2- сопротивление пучка труб;

m- число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве.

m=(3.9)

где общее число труб в теплообменнике.

5.8 ? 6

По формуле (3.8) следует:

?P_мтр=1,5*( щ_ш1²*с_хл1/2)+1,5(щ_ш2²*с_хл2/2)+1,5х(щ_мтр²*с_хл2/2)+(3m(х+1)/Re_мтр^0,2)*

*(щ_мтр²*с_хл2/2)

где х-число сегментов ( х=6 по табл. 2.6 [1]);

с_хл1-плотность хладагента при начальной температуре, кг/м³;

с_хл2- плотность хладагента при конечной температуре, кг/м³.

?P_мтр=1,5*(1,1²*1021/2)+1,5(1,1²*1196/2)+1,5*6*(0,99²*1196/2)+(3*6*(6+1)/

/11960^0,2)*(0,99²*1196/2)=926,5+1085,4+5274,4+11310,5 = 18596,8 Па

4. Механический расчет

Толщина стенки корпуса:



д_корп=(Р*Д/2[?]ц)+с (4.1)

где- [?]- допустимое напряжение на изгиб ([?]=148 МПа для стали);

ц- коэффициент прочности сварного шва (0,8 для стыковых швов сваренных только с одной стороны);

с- прибавка к расчетной толщине стенки (принимаем=0,001м);

Д- внутренний диаметр корпуса аппарата, м;

Р- внутреннее давление корпуса =0,1 МПа.

д_корп=(0,1*0,4/2*140*0,8)+0,001=(0,04/224)+0,001= 0,0012 м

Принимаем толщину корпуса 0,003 м

Толщина крышки:

д_крыш=(Р*R/2[?]ц-0,5Р)+с (4.2)

где R- радиус кривизны в вершине днища, м (R=0.25Д²/h) ;

h- высота выпуклой части наружной поверхности крышки, м.

R=0.25Д²/h=0.25*0.4²/0.08=0,5 м

h =0,2*Д=0,08 м

д_крыш =(0,1*0,5/2*140*0,8-0,5*0,1)+0,001=0,0012 м

Принимаем толщину стенки крышки 0,003 м

Общая сила нормального давления на прокладку:

N=(Д_нар²-Д_корп²)?у/4 (4.5)

где Д_нар- наружный диаметр прокладки, м (Д_нар =Д_корп+0,05);

Д_корп- внутренний диаметр прокладки, м;

?у- удельное давление на прокладку (?у =3,5 МПа для твердой резины).

N =3,14(0,45²-0,4²)*3,5/4=0,44/4= 0,11 МН

Усилие, отрывающее крышку от фланца:

Q=PF_кр (4.6)

где F_кр- площадь проекции внутренней поверхности крышки на поперечное сечение аппарата, м².

F_кр=Д²/4 (4.5)

F_кр=3,14*0,4²/4= 0,13 м²

Q=0,1*0,13 = 0,013 МН

Внутренний диаметр резьбы болта:

d_болт= (4.6)

где Р₀- усилие каждого болта, МН;

[?]- предел текучести материала болта при действующей температуре, МПа ([?]= 240 МПа).

Усилие каждого болта:

Р₀=N+Q/Z (4.7)

где- N- общая сила нормального давления на прокладку, МН;

Q- усилие, отрывающее крышку от фланца, действующее на все болты, МН;

Z- число болтов на фланце ( принимают кратным, то есть =20).

Р₀=0,11+0,013/20 = 0,006 МН

По формуле (4.6) следует:

d_болт=== 0,006 м

По найденному внутреннему диаметру резьбы подбираем ближайший стандартный болт, то есть d_б=10 мм [3].

Толщина круглого литого фланца:

д_фланц= +с (4.8)

где - диаметр окружности сопряжения трубы с фланцем (опасного сечения, в м, Д_фланц= Д_корп+0,006);

а- расстояние от центра болтового отверстия до стенки трубы, принимается конструктивно (а =0,032 м);

с- конструктивная прибавка ( с=0,003-0,006, м);

[?]- допустимое напряжение на изгиб ([?]=148 МПа для стали).

д_фланц =+0,006= 0,009 м

Принимаем толщину 0,02 м.

5. Техника безопасности

Безопасность при эксплуатации теплообменников обеспечивается их конструкцией при условии соблюдения потребителем требований ГОСТ, а также норм по технике безопасности и промышленной санитарии, действующих на конкретных производствах.

Для поддержания теплообменника в постоянной готовности к действию и обеспечения его нормальной работы необходимо проводить техническое обслуживание теплообменника.

К техническому обслуживанию теплообменника допускаются лица, изучившие устройство, правила безопасности при его работе, требования настоящего руководства, а также инструкцию по эксплуатации циркуляционного контура штатной системы, в которой предусмотрена эксплуатация теплообменника.

Техническое обслуживание теплообменника производится в процессе эксплуатации. Своевременное и качественное выполнение мероприятий по техническому обслуживанию предупреждает появление неисправностей и отказов в работе и обеспечивает высокий уровень эксплуатационной надежности теплообменника.

Все неисправности, выявленные в процессе технического обслуживания, должны быть устранены, замечания о техническом состоянии теплообменника и его составных частей занесены в журнал учета технического обслуживания, в паспорт на теплообменник и в сервисную книжку.

Аппарат должен быть рассчитан и сооружен с надлежащим запасом прочности, снабжен оградительными устройствами для движущихся частей, предохранительными клапанами, автоматическими выключателями и другими приспособлениями для предотвращения взрывов и аварий. При получении теплообменного аппарата с предприятия-изготовителя, перед вводом его в эксплуатацию необходимо произвести визуальный осмотр и проверку комплектности.

В процессе работы необходимо следить за надежной фиксацией оборудования. Ослабление фиксации механизмов может привести к поломке механизмов и оборудования. При монтаже установки в цехе её опоры необходимо крепить болтами к фундаменту.

Вывинчивание опор с целью регулировки высоты машины более 20 мм не допускается.

Для удобства обслуживания управление аппаратом должно производиться из одного пункта, где установлен пульт управления. Это особенно легко осуществить, если организован дистанционный контроль и дистанционное управление аппаратом. Высшей формой является полная автоматизация контроля и управления. Управление аппаратом не должно требовать значительных физических усилий от обслуживающего персонала.

К работе допускаются лица не моложе 18 лет и прошедшие инструктаж. Основными профилактическими мероприятиями являются герметизация производственного оборудования, также пользоваться индивидуальными средствами защиты органов дыхания (фильтрующиеся и изолирующие противогазы).К фильтрующим относятся промышленные противогазы ДОТ-600, БКФ, респираторы. К изолирующим СИЗ относятся промышленные противогазы. К специальным средствам защиты кожи относятся пасты, мази, кремы. Для защиты глаз применяют защитные очки, щитки, маски.



Список литературы

1. Бохан В.Н., Калинин Г.Ф., Ершов А.М., Мартышевский В.И., Глазунов Е.А. Проектирование процессов и аппаратов рыбообрабатывающих производств. Учебное пособие. - Мурманск. 1992. - 221с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. / под ред. П.Г.Романкова. 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия. 1987. 576 с.

3. ГОСТ 7798-70. Болты с шестигранной головкой гост класса точности В. Конструкция и размеры. Сборник ГОСТ. - М.: Стандартинформ, 2010

4. Бохан В.Н., Калинин Ю.Ф. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию для курсантов и студентов заочной формы обучения по спец. 2709. - Мурманск. 1989. - 74 с.

5. Электронный ресурс/http://thermalinfo.ru/svojstva-zhidkostej/voda-i-rastvory/teplofizicheskie-svojstva-i-temperatura-zamerzaniya-vodnyh-rastvorov-nacl-i-cacl2

Размещено на Allbest.ru

...