всякое / taranova то и расчет

αкип = 600 0,038 0,141,33 ∆tкип2,33 =1,67 ∆tкип2,33

где ∆tкип=tст2 – 105; а ψ = 0,038 (табл. IV.4 в приложении).

5. Примем по табл. IV.5 в приложении сопротивления загрязнений: со стороны конденсата r1=0,4·10-4 м2·К/Вт и со стороны пропилового спирта r2=2·10-4 м2·к/Вт. Тогда термическое сопротивление стенки трубы составит:

Σr = r1+δст/λст+r2 = (0,4+2+0,43)·10 -4 = 2,83·10-4( м2·К/Вт)

где δст/λст = 0,002/46 = 0,43·10 -4 (м2·К/Вт)

где λст – теплопроводность материала стенки трубы (табл. III.4 в приложении).

- Проведем расчет плотности теплового потока методом подбора температуры стенки, руководствуясь уравнением (2.50):

q= q1=∆tст/Σr= q2

где q1 = α1·∆tкон = α1·( 125 – tст1); q2 = α2·∆tкип = α2·( tст2 – 105); ∆tст = (tст1 – tст2).

Подбирая температуру стенки, добиваемся сходимости значений q1 и q2 (разница не более 5%). Для удобства расчета все данные заносим в таблицу вида:

tст1	∆tкон	α1	q1	∆tст=	tст2=	∆tкип	α2		q2
				q1· Σr	tст1–∆tст
	со стороны пара			на стенке		со стороны кипящей
							жидкости
124,5	0,5	13419	6709,5	2,37	122,1	17,1	1246,2		21310
124	1	11284	11284	3,98	120	15	918		13770
123,9	1,1	11018	12120	4,28	119,6	14,6	862		12585

Удовлетворительными являются результаты третьего расчета при tст1=123,9°С; при этом средняя плотность теплового потока равна:

qср = (q1 + q2)/2 = (12120 + 12585)/2 = 12352 Вт/м2

141

Отклонение q1 и q2 от qср ±3%, что вполне допустимо.

6.Найдем общий тепловой поток в аппарате, используя формулу

(1.27):

Q = Gp·rи= 12000 ·6,72·10 5/3600 = 2240000 (Вт)

7.Рассчитаем необходимую площадь поверхности теплообмена по

формуле (2.51):

F = Q/qср = 2240000/12352 = 181,34 ( м2)

8.По табл. 2.1 выбираем одноходовой теплообменник с предварительно принятой длиной труб l =3 м. В результате принимаем

аппарат со следующими характеристиками:

F = 182 м2; D = 1000 мм; dн =25 мм; z = 1; n = 747 шт; l =3 м.

9. Выбранный теплообменник рассчитаем на напряжения, возникающие в трубах σт и кожухе σк аппарата.

Для этого по формулам (2.21), (2.22) найдем температуру труб и кожуха аппарата:

tт = 123,5°С, tк = 124,8°С;

тогда разность температур составит: ∆t = tк–tт = 124,8–123,5 = 1,3°С. Учитывая свойства теплоносителей, примем для труб и кожуха

теплообменника материал – сталь марки Вст3сп, имеющую: модуль упругости Е = 21,6·1010 Па;

коэффициент линейного расширения αт = 12·10-6 К-1 (см. приложение

III).

Условием применимости теплообменников с неподвижными трубными решетками является выполнение условий (2.23). Для проверки этих условий рассчитаем усилия в кожухе и трубах аппарата, используя формулы (2.25) – (2.28).

- Предварительно найдем площади сечения трубок и кожуха по (1.26); при этом получим:

S =π d −δ		δт n =π (0,025 − 0,002) 0,002 747 = 0,108(м2)
т	н	т
S	=π D +δ δк =π (1 − 0,005) 0,005 = 0,016 (м2)
к		к

- Усилие, обусловленное температурными деформациями в теплообменнике согласно (2.25) составит:

142

− Р'

= P' =

αт (tк − tн ) Е

=

12 10− 6

21,6 1010 1,3

= 0,54 105Н

1

+ 1

1

+

1

т

к

S

S

0,108

0,016

т

к

- Общее усилие от давления в аппарате по формуле (2.28) составит: Р”=1,38·105 Н, тогда усилия, воспринимаемые трубами и кожухом аппарата по (2.27) соответственно составят:

для труб:

Р" =

Р"

=

1,38 105

=1,2 105 (Н)

Sк Ек

т

1 + 0,016

1 +

0,108

Sт Ет

для кожуха:

Р" =

Р"

=

1,38 105

= 0,18 105 (Н)

+

к

Sт Ет 1 + 0,108

Sк Ек 0,016

-С учетом проведенных расчетов определим напряжения, возникающие в трубах и кожухе аппарата по формуле (2.23) и сравним их

сдопускаемыми напряжениями для материала кожуха и труб при расчетной температуре (см. п. 1.3.4. и приложение III).

Напряжения, возникающие в трубах и кожухе теплообменника по (2.23) соответственно составят: 1

σт=0,61 МПа < σдоп ,

σк=4,5 МПа < σдоп , где σдоп=130 МПа.

10. Таким образом, по результатам расчета можно принять теплообменник с неподвижными трубными решетками:

1000 −ТНВ −1 − 0,6 − Б9 25 − Г − 3 −1

11. Для выбранного аппарата выполняют механический (прочностной) расчет по п. 2.2.3.

143

Механический расчет испарителя

1.Учитывая параметры работы теплообменника и некоррозионность теплоносителей, для изготовления элементов аппарата выбираем сталь Вст3сп обыкновенного качества. По табл. III.5 определяем основные

характеристики этой стали - предел прочности σв=380 МПа и предел текучести σт=250 МПа (при толщине проката до 20 мм).

2.Рассчитаем толщину стенки цилиндрической части аппарата. Цилиндрическая часть теплообменника представляет собой тонкостенный цилиндр, исполнительную толщину стенки которого определяем по формуле:

Принимаем Где , – расчетная и исполнительная толщина стенки цилиндрической

обечайки, м;

– расчетное избыточное давление; принимается большее из значений, полученных при расчете по формулам:

– внутренний диаметр обечайки аппарата (принят по

результатам теплового расчета);

- допускаемое напряжение на

растяжение для материала аппарата;

– для взрывопожароопасных и токсичных сред;

за нормативное допускаемое напряжение для материала корпуса принимаем меньшее из значений, полученных по формулам:

и

- коэффициент прочности продольного сварного шва (см. табл. III.8 в

приложении); С – прибавка на коррозию, величину которой принимают в зависимости

от коррозионных свойств; примем .

3. Рассчитаем толщину стенки эллиптического днища.

Для цилиндрических аппаратов, диаметр которых меньше 4 м, применяют эллиптические днища и крышки (см. рис. 5.1.).

144

Толщину стенки эллиптического днища определяют в его вершине, где поверхность имеет небольшой радиус кривизны по формуле:

Принимаем

Для стандартных днищ (ГОСТ 6533):

;

, где -

внутренний диаметр аппарата, м; толщина стенки стандартных днищ близка к толщине стенки цилиндрической обечайки.

4. Рассчитаем вес аппарата.

При расчете опор теплообменника учитывают максимальный вес аппарата, определяемый по формулам вида:

– вес металла аппарата (корпуса, внутренних устройств, штуцеров и

люков);

– вес воды при гидроиспытании.

Вес элементов конструкции аппарата находят следующим образом.

– Для расчета веса цилиндрической части аппарата используют формулу:

– плотность материала стенки корпуса (для стали 7850 кг/м3);

– соответственно наружный и внутренний диаметр, м;

– высота или длина обечайки.

Вес днища определяют по формуле:

– масса днища (кг); выбирается по табл. 2.4., исходя из диаметра

аппарата (D) и толщины стенки днища (δ).

Вес воды в аппарате во время гидравлических испытаний определяется как:

– плотность воды (1000 кг/м3),

– общий внутренний объем аппарата, м3;

– внутренняя емкость выпуклой части эллиптического днища, м3;

– внутренний объем цилиндрической части, м3.

145

Объемы цилиндрической части и днища (для стандартного эллиптического днища) находим по формулам:

–Вес труб рассчитывают по формуле:

–Вес штуцеров принимают равным 10% от веса теплообменника:

5. Проведем расчет лап.

Вертикальные теплообменники устанавливают, как правило, на подвесных лапах (см. рис. 1.13). Для данного небольшого аппарата примем две лапы. Типовые конструкции лап принимают в зависимости от приходящейся на них расчетной нагрузки:

n – количество лап;

максимальный вес аппарата.

Для лап принимают: число ребер (z); вылет лапы (lл); ее высоту (h); вид опорной поверхности; материал для изготовления лап. При этом руководствуются следующими общими рекомендациями:

-число ребер, как правило, равно 2;

-вылет опоры принимают исходя из конструктивных соображений;

-высоту лапы определяют с учетом принятого параметра (lл) как:

-вид опорной поверхности выбирают исходя из рекомендуемых значений допускаемой удельной нагрузки на опорной поверхности (см. табл.III.9 в приложении);

-в качестве материала для изготовления опор используют, чаще всего, углеродистые стали.

Расчет опор включает: определение размеров ребер (толщины и высоты); расчет длины опорной поверхности; расчет сварного шва.

146

1). Толщину ребра лапы (S, м) находят по формуле:

0,017м

где G – нагрузка на одну лапу (МН);

k – коэффициент, зависящий от отношения lл /S (в предварительном расчете рекомендуемое значение k=0,6);

[σ]и – допускаемое напряжение на изгиб (для углеродистых сталей принимают в интервале 110-160 МН/м2);

0,25 – вылет опоры (м).

Условие

выполняется, следовательно, расчетная величина S

принимается в качестве окончательной.

2). Длину опорной плиты (L1, м) определяют по формуле:

МПа – допускаемая удельная нагрузка на опорную поверхность

(относительно опорной поверхности из бетона марки 200; см. табл.III.9 в приложении).

3). Расчет сварного шва, соединяющего опору с аппаратом, проводят, определяя катет (hш), длину (Lш) и прочность сварного шва, соблюдая следующий порядок.

- Находят катет сварного шва (hш, м), учитывая, что ребра приваривают к корпусу сплошным круговым швом:

где – толщина стенки корпуса аппарата, рассчитанная выше, и

принятая в соответствии с сортаментом стали.

- Определяют общую длину сварного шва (Lш), используя формулу:

h и S – соответственно высота и толщина ребра лапы, м; принимаем по табл. IV. 7 в приложении относительно допускаемого напряжения на одну лапу или по таблице:

147

Допускае-	Опорная	Удельная	L	B	B1	H		S	l	a	d
мая	площадь	нагрузка
нагрузка	F 104 ,	на
на лапу	м2	опорную
						Мм
G 10−4 ,Н		площадь
		q,
		МН/ м2			70
0,1	42,5	0,24	80	55		125		4	30	15	14
0,25	57,0	0,44	90	65	75	140		6	35
0,5	72,5	0,69	100	75	85	155			40		18
1,0	89,5	1,12	110	85	90	170		8	45		23
2,5	173	1,45	150	120	130	215			60	20	30
4,0	297	1,34	190	160	170	280		10	80	25
6,0	41	1,33	230	200	205	350		12	100		34
8,0	639	1,25	270	240	240	420		14	120

- Проверяют прочность сварного шва, соединяющего опору с корпусом аппарата; прочность будет обеспечена, если выполняется условие:

– напряжение среза, принимаемое равным 70-80 МН/м2.

Проверочное условие выполняется, т.е. прочность сварного шва обеспечена.

4. По результатам расчета окончательно принимается опора в соответствие с ОСТ 26-665. Основные размеры лап и подкладных листов приведены в табл. IV.7 в приложении.

148

5.3. Пример расчета пластинчатого теплообменника

Задание. Подобрать стандартизированный пластинчатый теплообменник для охлаждения 9350 кг/ч смеси толуола и гептана. Содержание низкокипящего компонента Yд=0,97. Начальная температура смеси t1=45°С, конечная t2=25°С. Допустимое сопротивление теплообменника по обоим потокам ∆рдоп=1,3*105 Па. Начальную и конечную температуру воды принять.

Расчет проведем в соответствие с п. 2.3.

1.Определим среднюю температуру рабочей среды и теплоносителя

иопределим их свойства при этой температуре.

Согласно уравнениям (1.23) и учитывая, что t1/ t2 < 2, средняя температура смеси составит:

tс=(45+25)/2=35°С.

Смесь при этой температуре с учетом данных табл. I.1 - I.4 в приложении имеет следующие свойства:

ρс = 676,266 кг/м3; сс = 2265,59 Дж/(кг·К); λс = 0,1252 Вт/(м·К ); µс = 0,3596·10-3 Па·с;

Тогда критерий Прандтля для рабочей среды составит:

Prс=	с		µ	1		2265,59 0,3596 10	−3
	1				=			= 6,5
		λ				0,1259
		1

В качестве охлаждающего агента используем воду. Принимаем начальную температуру θ1=20°С, конечную θ2=30°С. При средней температуре θв=0,5(20+30)=25°С, вода будет иметь следующие свойства (см. табл. II.1 в приложении):

ρв = 996,5 кг/м3; св = 4609 Дж/кг; λв = 0,615 Вт/(м·К); µв = 0,8937·10-3 Па·с;

а критерий Прандтля для воды составит:

Prв= 4609 0,8937 10−3 = 6,69

0,615

2. Проведем предварительный тепловой расчет.

-Рассчитаем массовый и объемный расход смеси, используя формулу

(2.59):

Gс=9350/3600=2,597 кг/с; Vс=2,597/676,266=0,0038 м3/с.

149

-Найдем тепловой поток в аппарате по формуле (1.26):

Q= 2,597 2265,59(45 − 25)=117674,74 Вт.

-С учетом (2.60) найдем массовый и объемный расход охлаждающей

воды:

Gв=	117674,74		3
		= 2,55	кг/c; Vв =2,55/996,5=0,0026 м /с
	4609 (30 − 20)

-Определим среднюю разность температур между теплоносителями, используя формулы (2.61) и (2.62):

∆tср = (45 − 20)−(30 − 25)=20°С ln(15/ 5)

С учетом смешанного тока теплоносителей, найдем температурную поправку на среднюю разность температур (εт), которая составит εт=0,7 (см. рис. IV.4 в приложении). Тогда средняя разность температур равна:

∆t´ср=20*0,7=14°С

-Учитывая высокую эффективность пластинчатых теплообменников,

принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К=500 Вт/(м2·К).

-Найдем ориентировочную площадь поверхности теплообмена, которая согласно (1.28) составит:

F=117674,74 =16,8 м2

500 14

В соответствии с табл.2.5, табл.2.6 принимаем теплообменник со следующими параметрами: площадь поверхности теплообмена F=20 м2; площадь пластины fпл=0,3 м2; количество пластин n=70; эквивалентный диаметр канала dэ=0,008 м; площадь сечения канала fк=0,0011 м2.

-Определим количество каналов для смеси и воды с учетом (2.65):

	mс=	70	+1 = 36 ; mв=	70	= 35
		2		2

150