Расчет параметров теплообменного аппарата "труба в трубе"

м = Vм/ 0,785* d2 = 0,0014/ 0,785* 0,0342 = 1,57 м/с

 

8. Определение режима течения масла:

Re = ω*dвн *ρ/ μ = 1,57*0,034*876/72,3* 10-4 = 6477,7

Так как  2320 < Re < 1*104, следовательно, имеет место переходный режим течения масла

 

9. Подбор диаметра наружной трубы

Dвн = 1,27* (Vп/ п) + dн2, где Vп = объемный расход пара, м3/с

п – плотность пара, кг/м3

Vп = Дгр/ п = 0,12/1,621 = 0,074455 м3/с

п – средняя скорость течения пара в трубе, м/с

Примем п ≈ 15 м/с:

Dвн = 1,27* (0,073/15) + 0,0382 = 0,0794553 м

По ГОСТ 9930-78 берем трубу диаметром D = 89 * 3,5 мм (Dвн = 82)

 

10. Уточняем скорость течения пара:

п = Vп/0,785*(Dвн2 - dн2) = 0,073/ 0,785*(0,0822 - 0,0382) = 17,621 м/ч

11. Определение коэффициентов теплоотдачи αм и αп:

αм = Nuм * λм /dвн ;

λм = 0,15675 Вт/м*К

Т.к. режим течения масла переходный, то критерий Нуссельта рассчитывается:

Nuм = 0,008 * Re 0,9 * Pr 0,43 ; где Pr = 96,175

αм = 153,49 * 0,15675 / 0,034 = 24,06 / 0,034 = 707,646 Вт/м2К

αп = А*    ; где

 

А – коэффициент учитывающий горизонтальное расположение поверхности нагрева; А = 0,728

λ – коэффициент теплопроводности пленки конденсата, λ = 0,686 Вт/м К

μ – коэффициент динамической вязкости пленки конденсата, μ = 0,000211 Па*с

r – удельная теплота парообразование, r = 2165800 Дж/К

ρ – плотность пленки конденсата, ρ = 934,8 кг/м3

∆t – перепад температур между паром и стенкой ∆t1 = tкд – tст1; ∆t = 2…8 оС, поэтому tст1 рассчитываем методом последовательных приближений, который основывается на том, что количество тепла, переданного от горячего теплоносителя к холодному через единицу поверхности теплопередачи в единицу времени, т.е. удельный тепловой поток, постоянен:

q = К* ∆tср = α1 * ∆t1 = 1/ ∑rст *∆t1 = α2 * ∆t2 ;

Задаемся двумя значениями tст1 и определяем для этих значений удельный тепловой поток:

qпi = αi (tп - tст1 )

1-е приближение

При tст1 = 130,9 оС, ∆t = 2

αп1 = 0,728* = 17990,2 Вт/м2К

qп1 = 17990,2 * 2 = 35980,3  Вт/м2

Удельный тепловой поток для масла рассчитывается по формуле:

qмi = αм (tст2 - ∆tср )i ; где

∆tср = ∆t1 + ∆tст + ∆t2 ; где

∆tст = ∆tст1 - ∆tст2

∆t2 = ∆tст2 - ∆tср

tст2 = tст1 - q∑rст ; где ∑rст = δст / λст + r31 + r32

r31 = 1/5800  м2*К/ВТ;  r32 = 1/2900 м2*К/ВТ

∑rст = 0,002/46,5  + 1/5800 + 1/2900 = 0,000043 + 0,00017 + 0,00034 = 0,00055 = 5,5 * 10 -4 м2*К/ВТ

Тогда при tст1 = 130,9 оС

tст2 = 130,9 - 59373,2 * 5,5 * 10 -4 = 110,74 оС

qм1 = 707,646 (110,74 – 40,7) = 49564,9 Вт/м2

qп << qм

2-е приближение

При tст1 = 129 оС, ∆t = 3,9

αп2 = 0,728 * = 15223,9  Вт/м2

qп2 = 15223,9 * 3,9 = 59373,2  Вт/м2

q2 > q1

При tст1 = 129 оС

tст2 = 129 - 59373,2 * 5,5 * 10 -4 = 95,7 оС

qм = 707,646 (95,7 – 40,7) = 38946,03 Вт/м2

qм < qп

 

Строим график зависимости t = f(q), по которому определяем точное значение tст1 и qп гр

tст1 = 128,8 оС ; qп гр = 46000 Вт/м2

Тогда при tст1 = 128,8 оС, ∆tст1 = 4,1

αп = 0,728 * = 11265,25 Вт/м2 К

qп = 11265,25 * 4,1 = 46187,54 Вт/м2

tст2 = 128,8 - 46187,54 *  5,5 * 10 -4 = 103,4 оС

qм = 707,65 (103,4 – 40,7) = 44369,66 Вт/м2

 

12. Погрешность расчета:

∆ = (qп - qп гр )/ qп гр * 100% < 5% ; где qп гр = 46000 Вт/м2

∆ = (46187,54 -44369,66)/ 44369,66*100 % = 0,04*100% = 4 % < 5%

 

13. Определение коэффициента теплопередачи К:

К = = ; где

αп – коэффициент теплоотдачи от пара к холодной стенке, Вт/м2 К

αм – коэффициент теплоотдачи от стенки к маслу, Вт/м2 К

∑rст – суммарное термическое сопротивление стенки загрязнений по поверхности стенки с обеих сторон, ∑rст = 5,5 * 10 -4 м2*К/ВТ

К = = 1/0,002 = 484,9 Вт/м2 К

 

14. Определение поверхности теплопередачи:

F = Q / К* ∆tср = 248325 / 484,9 * 40,7= 12,3 м2

 

2. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

 

1. Определение длины трубы:

L = F / π* dср *m ; где

F – расчетная площадь поверхности теплообмена, F = 12,3 м2

m – число параллельно работающих секций, m = 1

dср – средний диаметр внутренней трубы, м2

dср = dн – δ = 38 – 2 = 36 мм = 0,036 м

L = 12,3 / 3,14*0,036 *1 = 109, с запасом 10 % L =119,98 м

 

Примем длину трубы одного элемента l = 6 м, тогда число элементов:

n = L/l = 119,98 / 6 = 19,997 , n ≈ 20 шт

Точное значение L при n = 20 шт: L=120 м

 

2. Определение радиуса колена

r = 3,5 * dн = 3,5 * 0,038 = 0,133 м

 

3. Расчет длины одного элемента теплообменника

L1 = l + r*0,1 ; где

l – длина трубы одного элемента, м

r – радиус колена, м

L1 = 6 + 0,133*0,1 = 6,0133 м

 

4. Расстояние между осями соседних элементов:

h1 = 2*r = 2* 0,133 = 0,266 м

Lг  = 6, 0133 + 2* 0,133 = 6,28 м

 

 

5. Определение высоты теплообменника:

H = h1 * (n-1) , где

n- число элементов

H = 0,266 * (20 - 1) = 5,054 м

 

6. Определение габаритной высоты аппарата:

Hг = H + h1 + h0 ;  где

H – высота теплообменника, м

h1 – расстояние между осями элементов, м

h0 – высота опоры, м.  Примем h0 = 0,3 м

Тогда Hг = 5,054  + 0,266 + 0,3 = 5,62 м

 

7. Определение габаритной длины аппарата:

Lг  = L1 + 2*r ; где

L – длина одного элемента теплообменника, м

r – радиус колена, м

Lг  = 6, 0133 + 2* 0,133 = 6,28 м

 

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
1. Определение общих потерь давление по ходу движения масла:

Гидравлическая схема

∆Р общ = ∆Р х.т + ∆Р а + ∆Р г.т. + ∆Рг, где

∆Р х.т – потери давления по ходу движения масла от расходного бака до теплообменника, Па

∆Р а – потери давления по ходу движения масла в самом аппарате, Па

∆Р г.т. – потери давления по ходу движения масла от аппарата до обжарочной ванны, Па

∆Р г – потери давления при подъеме масла на высоту Нг = 5,62 м, Па

I Участок движения масла от расходного бака:

∆Р х.т = ( λ* l/dэ + ∑ζ) * (ρ* ɷ2 / 2) ; где

ρ – плотность масла, при t = 15 oC, ρ = 920 кг/м3

ɷ - скорость течения масла,  ɷ = 1,57 м/с

l – длина трубы данного участка, l = 2 м

∑ζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений

∑ζ: вход в трубу из резервуара - 0,5

вентиль при dтр = 40 мм - 4,9___

∑ζ = 5,4

λ - коэффициент трения, который зависит от режима течения

μм = 870,3 *10-4 Па*с

Re = ɷм * d * ρм / μм = 1,57 *0,034*920 / 870,3 *10-4 = 565,166

Так как Re <2320, то коэффициент трения рассчитывается по формуле:

λ = 64/ Re = 64/ 565,166 = 0,113

∆Р х.т = ( 0,113* 2/0,034 + 5,4) * (920* 1,572 / 2) = 97,897*1137,404 = 111348,9 Па

 

II Участок движения масла по трубам в самом аппарате:

∆Р а = ( λ* l/dэ + ∑ζ) * (ρ* ɷ2 / 2) ; где

При tср = 92,16 oC

 ρ = 876,6 кг/м3 

ɷ = 1,57 м/с

l = 120 м

∑ζ – поворот на 180 оС через калачи – 2*9 = 18.

Так как на данном участке Re = 6477,7 переходный режим, то коэффициент трения определяется по формуле:

λ = = = = 0,035

∆Р а = (0,035 * 120/0,034 +18) * (876,6* 1,572 / 2) = 153614,28 Па

 

III Участок движения масла от аппарата до обжарочной ванны:

∆Р г.т. = ( λ* l/dэ + ∑ζ) * (ρ* ɷ2 / 2) , где

при t = 125 oC

ρ = 853,5 кг/м3

μм = 47,05 *10 -4  Па*с

Примем l = 4 м

Re = 1,57* 0,034 *853,5/ 47,05 *10 -4 = 9698,4254

Так как Re < 104, то λ = = = 0,0312

Сумма коэффициентов местных сопротивлений ∑ζ состоит из:

Выход из трубы в резервуар – 1,0

Колено с углом 90 оС на трубопроводе круглого сечения – 2,0

Вентиль при диаметре трубы dy = 40 мм – 4,9________

∑ζ = 7,9

∆Р г.т. = ( 0,0312*4l/0,034 +7,9) * (853*1,572 / 2) = 11,572 * 1083 = 12532,711 Па

 

Потери давления при подъеме масла на высоту Н:

∆Р г. =  ρ*g* Hг ; где 

Hг – габаритная высота аппарата,  Hг = 5,62 м

∆Р г. =  ρ*g* Hг = 876,6 *9,8 *5,62  = 48246,576 Па

 

Общие потери давления по ходу движения масла:

∆Р общ = 111348,9 +153614,28  +12532,711  + 48246,576 = 325742,43 Па

 

2. Расчет потерь напора и подбор насоса:

Hобщ = ∆Р общ / ρ* g = 325742,43 / 876,6 *9,8 = 37,944 м.в.ст.

Так как объемный расход масла Vм = 1,427*10-3 м3/с = 0,01427*3600 = 5,137 м3/ч, то наиболее целесообразным будет использование центробежного насоса марки ХМ 8/40 с КПД η = 0,5. А поскольку потери напора Hобщ = 37,944 м.в.ст., то необходим к насосу электродвигатель марки 2В100S2 ( η = 0,8)

 

3. Расчет мощности на валу насоса и электродвигателя

Nн = Gм * ∆Р общ / ρ* ηн = 1,25 * 325742,43 / 876,6 = 929,63 Вт

Nдв = Nн / ηдв * ηн = 929,63 / 0,5 *0,8 = 2,24 кВт

 

4. ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ

 

1. Расчет толщины стенки наружной трубы на внутреннее избыточное давление:

δ = Р * Dвн / 2 *[σ]доп *φ + С , где

Ри – внутреннее избыточное давление в межтрубном пространстве,   Ри = 3-1 = 2 кг с/ см2= 0,1962 МПа

С – поправка, учитывающая коррозию, допуски на овальность и пр., равная 0,001 м

φ - коэффициент прочности сварного шва, равный при односторонней сварке 0,65

[σ]доп – допускаемое напряжение, МПа

[σ]доп = [σ]* *η , где

[σ]* - номинальное допускаемое напряжение, МПа, [σ]* - 120 Мпа,

η - поправочный коэффициент, учитывающий конструкцию и условия работы аппарата,  η = 0,85

[σ]доп = 120 * 0,85 = 10,2 МПа

Тогда толщина стенки δ = 0,1962 * 0,082 / 2 * 10,2 *0,65 + 0,001 =  0,016 / 13,26 +0,001 =  0,002213 м

 

Таким образом толщина стенки принятая по ГОСТ 9930-78 (3,5) больше минимально возможной толщины (2,2) и поэтому стенка будет достаточно прочной при внутреннем избыточном давлении Р = 0,1962 МПа

2. Расчет прокладки на невыдавливание из фланцевого соединения:

Возьмем прокладку из твердой резины со следующими размерами:

- толщина  δ = 1 мм

- внутренний диаметр Dв = 34 мм (т.к. входной и выходной патрубки, на которые устанавливаются эти прокладки, имеют dвн = 34 мм);

- наружный диаметр прокладки  Dн = 1,5 dн = 1,5* 38 = 57 мм (т.к. рекомендуемая ширина прокладки 12-15 мм)

Для деформирования данной прокладки, обеспечивающего плотность соединения, на ее поверхности должно быть создано удельное давление σу = 3,5 МПа.

Прокладка не выдавится из соединения, если сила трения возникающая на поверхности фланца под воздействием удельного давления, созданного в результате затяжки болтов, будет больше выдавливающей силы.

 

Выдавливающая сила:

Р = р*π* Dв * δ ,  где

Р- давление внутри аппарата, МПа

Dв – внутренний диаметр прокладки

δ - толщина прокладки, м

 

Сила трения:

Т = f * σу * F , где

F – площадь поверхности прокладки, F = π*( Dн2 -  Dв2) / 4

F – коэффициент трения прокладки о поверхность фланца, который при средней обработке фланцев равен 0,08

 

Таким образом, условие невыдавливания прокладки:

f* σу *( Dн2 - Dв2) > 4р* Dв* δ

0,08 * 3,5 *( 572 - 342) > 4*0,294* 34* 1

0,28 * (3249 – 1156) > 39,984

586,04 > 39,984

 

Отсюда можно сделать вывод, что данная прокладка не будет выдавливаться из фланцевого соединения.

 

3. Расчет болтов фланцевых соединений: