3.5.Уточненный расчет поверхности теплообменника

Рассчитываем коэффициент ₁ со стороны греющего пара для случая конденсации на пучке n вертикальных труб высотой Н:

= 2,04= 2,04= 6765 Вт/(м²К), (10)

здесь , , , r физические параметры конденсата при температуре пленки конденсата t_к, Н – высота нагревательных труб, м; t – перепад температур между греющим паром и стенками труб (принимаем в пределах 3…8⁰С).

Значения функции А_t для воды при температуре конденсации пара

Температура конденсации пара tк, ^0С	100	110	120	140	160	180
Аt	6960	7100	7240	7340	7490	7520

О правильности расчетов судят, сопоставляя полученное значение ₁ и его предельные величины, которые приведены в п. 1.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи α₂ от стенок труб к воде.

Для этого необходимо выбрать уравнение подобия вида

Nu = ARe^mPrⁿ (11)

В зависимости от величины числа Re определяют режим течения жидкости и выбирают уравнение подобия.

(12)

Здесь n– число труб на 1 ход;

d_вн= 0,025 - 20,002 = 0,021 м – внутренний диаметр трубы;

При Re > 10⁴ имеем устойчивый турбулентный режим движения воды. Тогда:

Nu = 0,023  Re^0,8  Pr^0,43 (13)

Число Прандтля характеризует соотношение физических параметров теплоносителя:

= = 3,28. (14)

, , , с – плотность, динамическая вязкость, теплопроводность и теплоемкость воды при t_ср.

Nu = 0,023 26581^0,8 3,28^0,43 = 132,8

Число Нуссельта характеризует теплоотдачу и связано с коэффициентом ₂ выражением:

Nu = ,₂ = = = 4130 Вт/(м²К) (15)

С учетом значений ₁, ₂, толщины стенки трубы  = 0,002 м и ее теплопроводности _ст, определяем коэффициент К по формуле (2):

= = 2309 Вт/(м²К)

Сопоставляем полученное значение К с пределами для коэффициента теплопередачи, которые были указаны в п 1.

Определяем площадь поверхности теплообмена из основного уравнения теплопередачи по формуле (3):

= = 29 м².

Вновь по таблице 4 выбираем стандартный теплообменник:

площадь поверхности теплообмена F = 31 м²,

диаметр кожуха D = 400 мм,

диаметр труб d = 25×2 мм,

число ходов z = 2,

общее число труб N = 100,

длина (высота) труб H = 4 м.

Запас площади

(запас площади должен быть в пределах 5…25%).

4. Механический расчет теплообменника

При расчете на внутреннее давление толщина стенки корпуса _к проверяется по формуле:

_к = + С, (16)

где р – давление пара 4·0,098 = 0,39 Н/мм²;

D_н – наружный диаметр кожуха, мм;

 = 0,9 коэффициент прочности сварного шва;

_доп = 87…93 Н/мм²– допускаемое напряжение для стали;

С = 2…8 мм – прибавка на коррозию.

_к = + 5 = 6 мм.

Принимаем нормализованную толщину стенки 8 мм.

Трубные решетки изготавливаются из листовой стали. Толщина стальных трубных решеток берется в пределах 15…35 мм. Она выбирается в зависимости от диаметра развальцованных труб d_н и шага труб .

Расстояние между осями труб (шаг труб) τ выбирают в зависимости от наружного диаметра труб d_н:

τ = (1,2…1,4)·d_н, но не менее чем τ = d_н + 6 мм.

Нормализованный шаг для труб d_н = 25 мм равен τ = 32 мм.

_р = .

При заданном шаге 32 мм толщина решетки должна быть не менее

_р = = 17,1 мм.

Окончательно принимаем _р = 25 мм.

При расчете фланцевых соединений задаются размером стягивающего болта. Принимаем во фланцевом соединении для аппаратов с диаметром D_в = 400…2000 мм стальной болт М16.

Определим допустимую нагрузку на 1 болт при затяжке:

q_б = (d₁ – c₁)² , (17)

где d₁ = 14 мм – внутренний диаметр резьбы болта;

с₁ = 2 мм – конструктивная прибавка для болтов из углеродистой стали;

 = 90 Н/мм²– допустимое напряжение на растяжение.

q_б = (14 – 2)²  90 = 10174 Н.

Шаг между болтами t_б  5d = 516 = 80 мм. Принимаем t_б = 65 мм.

Определим количество болтов n_б.

, (18)

где D_б = D_н + 2L.

= 22,5 шт.

L = 25 мм принимаем конструктивно так, чтобы удобно было работать ключом на фланцах. Число болтов фланцевого соединения принимают кратным четырем (n_б = 4, 8, 12,…). Окончательно n_б = 24.

Рис. 4. Фланцевое соединение

Определим Q_фл – нагрузку на все болты фланцевого соединения:

Q_фл = q_б  n_б = 10174  24 = 244166 Н.

Фланец рассчитывают на изгиб под действием Q_фл:

М_изг = Q_фл  L,

где L - плечо силы.

Напряжение изгиба во фланце:

(19)

где W = D_н- момент сопротивления.

Допустимое напряжение _доп рекомендуется принимать не менее, чем с двукратным запасом, т.е. для стальных фланцев

_доп = 90/2 = 45 Н/мм².

Приняв _доп = 45 Н/мм², можем определить минимальную толщину фланца:

_доп = , откудаh = .

h = = 25,5 мм.

Принимаем толщину фланцев h = 25 мм.