Тепловой конструкторский расчет теплообменного аппарата

Тогда:

Принимаем диаметры штуцеров

 

 

 

 

 

2 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

 

 

Данный расчет определяет мощность, затрачиваемую на обеспечение движения теплоносителей через аппарат.

Полный напор ∆Р, необходимый для движения жидкости или газа через теплообменник, определим по формуле, Па

,                                                                   (2.1)

где - сумма гидравлических потерь на трение, Па;

- сумма потерь напора в местных  сопротивлениях, Па;

- сумма потерь напора, обусловленных  ускорением потока, Па;

- перепад давления для преодоления  гидростатического столба жидкости, Па.

Гидравлические потери на трение в каналах при продольном омывании пучка труб теплообменного аппарата определим по формуле, Па

,                                                                                   (2.2)

где - коэффициент сопротивления трения;

- суммарная длина трубок, м;

- эквивалентный диаметр, равный внутреннему диаметру трубок, м;

- плотность воды, кг/м3;

- средняя скорость воды на  данном участке, м/с.

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент сопротивления трения для чистых трубок можно рассчитать по формуле:

                                                                                    (2.3)

греющий теплоноситель

Подставим полученные результаты в формулу (2.2):

нагреваемый теплоноситель

Подставим полученные результаты в формулу (2.2):

Гидравлические потери давления, Па, в местных сопротивлениях определим по формуле:

                                                                                            (2.4)

нагреваемый теплоноситель:

греющий теплоноситель:

найдем среднее число рядов трубок m, омываемых поперечным потоком теплоносителя, равное нечетному числу трубок, размещаемых на диаметре теплообменника:

                                                                                                   (2.5)

 

 

 

 

Тогда:

Полученное значение округляем до ближайшего нечетного числа m=9, коэффициент сопротивления для пучка труб при поперечном омывании

                                                                                  (2.6)

Тогда:

Подставим полученные результаты в формулу (2.4):

Потери давления, Па, обусловленные ускорением потока вследствие изменения объема теплоносителя при постоянном сечении канала, определим по формуле:

                                                                                        (2.7)

где и - скорости теплоносителя во входном и выходном сечениях потока соответственно, м/с;

 и  - плотности теплоносителя во входном и выходном сечениях потока соответственно, кг/м3.

нагреваемый теплоноситель:

греющий теплоноситель:

Перепад давления для преодоления гидростатического столба жидкости равен нулю ( ), так как данный подогреватель не сообщается с окружающей средой.

 

 

 

 

 

Полный напор, необходимый для движения воды через аппарат:

греющий теплоноситель:

Нагреваемый теплоноситель:

Мощность, необходимая для перемещения воды через подогреватель

,                                                                                                  (2.8)

где G –объемный расход воды, м3/с;

- коэффициент полезного действия  насоса.

Тогда:

греющий теплоноситель:

нагреваемый теплоноситель:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

 

 

 

Механический расчет предполагает расчет основных узлов и деталей аппарата на прочность. Конструкция и элементы аппаратов рассчитываются на наибольшее допускаемое рабочее давление с учетом возможных температурных напряжений, особенностей технологии изготовления деталей, агрессивности действия рабочей среды и особенностей эксплуатации.

 

3.1 РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ КОЖУХА

 

Толщина обечайки рассчитываем по формуле:

,                                                                                   (3.1)

где Рп – рабочее давление теплоносителя, МП/м2;

Dа.вн – внутренний диаметр корпуса, м;

φ1 – коэффициент прочности сварного шва, равный φ1=0,9;

- номинальное допустимое напряжение, МПа, принимаем в зависимости  от марки стали и температуры стенки;

С – поправка на коррозию, равна 1-5 мм в зависимости от скорости коррозии материала обечайки, м;

                          Подставим значения:

.

Принимаем толщину обечайки кожуха теплообменного аппарата , для электросварных прямошовных труб диаметром Dу=300 мм (Dн=325 мм).

 

 

 

3.2 РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ДНИЩА

 

 

Исходя из условий технологичности изготовления толщину стенки днища, имеющего отверстие, определяем по выражению, м:

,                                                                         (3.2)

где - коэффициент неукреплённого отверстия;

 d – наибольший диаметр неукреплённого отверстия, м;

hвып – высота выпуклой части днища, м.

Подставим значения:

Подставим значения в формулу (3.2):

Принимаем толщину стенки днища из условия технологичности изготовления .

 

                          3.3 РАСЧЕТ ТРУБНОЙ РЕШЕТКИ

 

 

Расчетное давление, МПа, при расчете трубной решетки выбираем по

большему из трех следующих значений:

;

                                                                      (3.3)

,

где Рм, Рт – давления в межтрубном и трубном пространствах соответственно, МПа;

, - пробное давление при гидравлическом испытании в межтрубном пространстве и в трубах, МПа;

- отношение жесткости трубок  к жесткости кожуха;

- расчетный температурный коэффициент;

к – модуль упругости системы трубок. МПа/м;

l – расчетная длина корпуса, равная длине труб, м;

- коэффициент перфорации.

Коэффициент, выражающий отношение жесткости трубок к жесткости кожуха, находим по формуле

,                                                                                                   (3.4)

где Ет, Ек – модули упругости материала трубок и кожуха (для латуни ; для стали  );

Fm, Fk – площади сечение стенок трубок и кожуха, м2, рассчитываем по формуле:

,                                                                      (3.5)        

                              где п – количество трубок, шт.;

dвн, dнар – внутренний и наружный диаметры трубок, м.

Тогда:

.

Площадь сечения стенок кожуха, м2:

.                                                                  (3.6)

Тогда :

.

Подставим полученные значения в формулу (3.4)

.

Расчетный температурный коэффициент находим по формуле:

,                                                                                          (3.7)

где tm, tк – температуры трубок и кожуха, °С;

, - коэффициенты линейного удлинения трубок и кожуха соответственно (для стали , для латуни ).

Температуру кожуха принимают на 1-5% ниже средней температуры греющего теплоносителя tк.ср

.                                                                                      (3.8)

Получим:

.

Температура трубок:

.                                                                                        (3.9)

Тогда:

.

Расчетный температурный коэффициент:

.

                              Модуль упругости системы трубок, МПа/м, рассчитываем по формуле:

,                                                                                              (3.10)

где - длина трубок, м;

- внутренний радиус корпуса, м.

Подставим значения:

,

Коэффициент перфорации определяют по формуле

.                                                                                         (3.11)

Получаем:

.

Тогда расчетные давления, МПа, будут найдены по формулам:      ;

.

Принимаем расчетное давление Рр=0,792МПа. Толщину трубной решетки рассчитывают:

.                                                                              (3.12)

Тогда:

.

Принимаем толщину трубной решетки . Изгибающий момент, распределенный по контуру решетки:

 

                        ,                                                            (3.13)

где - коэффициент системы «решетка-трубки», 1/м;

Ф1, Ф2, Ф3, выбираются в зависимости от безразмерного параметра ;                                                                                                     (3.14)

Т и - вспомогательные коэффициенты.

Коэффициент системы «решетки-трубки», 1/м

,                                                                                                    (3.15)

где - жесткость трубной решетки при изгибе, ,

,                                                                                         (3.16)

здесь - модуль упругости материала решетки;

;                                                                                (3.17)

;                                                                                              (3.18)

,                                                                               (3.19)

где и - коэффициенты жесткости трубной и перфорированной решеток;

- расчетный коэффициент перфорации.

Подставляя полученные значения в формулы (3.14 – 3.19), получим:

;

;

;

                             ;

;

.                                                                             

Значения коэффициентов: Ф1=2,62; Ф2=1,07; Ф3=2,53. Вспомогательные коэффициенты:

;                                                       (3.20)

,                                                                                                 (3.21)

где - толщина полки фланца, м.

Коэффициент податливости системы «кожух-решетка»

.                                                                                                (3.22)

Тогда:

.

Жесткость фланцевого соединения

,                                           (3.23)

где b=0,024м – ширина полки фланца; - расстояние от центра тяжести сечения фланца до оси аппарата, м;

Подставим значения в формулы (3.20 – 3.23):

,