Курсовая работа: Расчет кожухотрубного теплообменника

1. Тепловой расчет

Цель теплового расчета – определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса и выбор стандартизованного теплообменника [1].

Из основного уравнения теплопередачи:

, (1)

где F – площадь теплопередающей поверхности, м²;

Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

K – коэффициент теплопередачи, ;

 – средний температурный напор, К.

1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата

В рассматриваемой задаче нагревание воды осуществляется в горизонтальном теплообменнике теплотой конденсирующего пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле [6]:

, (2)

где G_хол – массовый расход воды, кг/с, ;

С_хол – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кг×К);

Т_к, Т_н – конечная и начальная температуры воды, К;

 – коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду при нагревании,  = 1,05.

Средняя температура воды:

 ⁰С ,

Этому значению температуры соответствует

.

Тогда

Вт,

с учетом потери

Вт.

1.2 Определение расхода пара и температуры его насыщения

Расход пара определим из уравнения:

, (3)

где D – расход пара, кг/с;

r – скрытая теплота конденсации пара, Дж/кг.

По [2, прил. LVII] при Р_п = 0,3 МПа, r = 2171×10³ Дж/кг, Т_к = 133 ⁰С.

Из формулы (3) следует, что

 кг/с.

1.3 Расчет температурного режима теплообменника

Цель расчета – определение средней разности температур и средних температур теплоносителей t_ср1 и t_ср2. Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей.

Т_н = 191,7 ⁰С Пар Т_к = 191,7 ⁰С

t_к = 96 ⁰С Вода t_н = 40 ⁰С

 ⁰С  ⁰С

Так как

, то  ⁰С.

Температура пара в процессе конденсации не изменяется, поэтому t_ср1 = Т_п = 191,7 ⁰С, а средняя температура воды : t_{ср 2} = t_{ср 1}-t_ср = 191,7-123,7=68 ⁰С.

1.4 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей

Теплофизические свойства теплоносителей определяем при их средних температурах и заносим в таблицу 1.

Таблица 1 Теплофизические свойства теплоносителей

1.5 Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата. Выбор конструкции аппарата

Ориентировочным расчетом называется расчет площади теплопередающей поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К, выбираемому из [1, табл. 1.3]. Принимаем К= 800 Вт/(м²×К), поскольку теплота передаётся от конденсирующего пара к воде, тогда ориентировочное значение площади аппарата по формуле (1)

 м².

Так как в аппарате горячим теплоносителем является пар, то для обеспечения высокой интенсивности теплообмена со стороны воды, необходимо обеспечить турбулентный режим движения и скорость течения воды в трубках аппарата. Принимаем число Рейнольдса Re = 12000.

Для изготовления теплообменника выберем трубы стальные бесшовные диаметром 25х2 мм.

Необходимое число труб в аппарате n, обеспечивающее такую скорость, определим из уравнения:

, (4)

где n – количество труб в аппарате, шт.;

d – внутренний диаметр труб, м;

G – массовый расход воды, кг/с;

 - динамическая вязкость, Па·с;

Re – число Рейнольдса.

Из формулы (4):

 шт.

Такому числу труб n = 39 шт. и площади поверхности аппарата F = 18,3 м² по [1, табл. 1.8] ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает кожухотрубчатый двухходовой теплообменник диаметром 325 мм, с числом труб 28 в одном ходе, длиной теплообменных труб 4000 мм и площадью поверхности F = 17,5 м².

Проверим скорость движения воды в трубах аппарата:

 м/с.

Значение скорости находится в рекомендуемых пределах, поэтому выбор конструкции аппарата закончен.

1.6 Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи

Приближенным расчетом называется расчет коэффициентов  и К по формулам, не учитывающим влияние температуры стенки теплопередающей поверхности на интенсивность теплоотдачи [1].

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке вертикальных труб без учета температуры стенки рассчитывается по формуле [1, с. 24]:

, (5)

где G – массовый расход конденсирующегося пара, G = 6,24·10^-1 кг/с;

n – число труб в аппарате с наружным диаметром d, шт;

 – теплопроводность, плотность и вязкость конденсата при температуре конденсации.

По формуле (5)

 .

Режим движения воды в трубках аппарата:

 – турбулентный, так как Re>10⁴.

Для расчета процесса теплоотдачи в закрытых каналах при турбулентном режиме движения и умеренных числах Прандтля (Рr < 80) рекомендуется уравнение [1, с. 23]:

, (6)

где  – критерий Нуссельта;

 – критерий Рейнольдса;

 – критерий Прандтля;

– отношение, учитывающее влияние направления теплового потока (нагревание или охлаждение) на интенсивность теплоотдачи.

Отношение  принимаем равным 1, тогда по формуле (6):

, а

.

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара [2, табл. ХХХI]:

,

а со стороны воды [2, табл. ХХХI]:

,

,

.

Тогда

Или

,

где – сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений.

Так как теплообменная трубка тонкостенная (d_вн > ), то для расчета коэффициента теплопередачи применяют формулу для плоской стенки

 , (7)

где  – коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды,

;

– сумма термических сопротивлений.

По формуле (7)

.

Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле (1):

 м².

Площадь поверхности теплообмена выбранного теплообменного аппарата F=17,5 м² , что отвечает требуемой поверхности, т.е. для выполнения уточненного расчета оставляем ранее выбранный в ориентировочном расчете аппарат.

1.7 Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи. Окончательный выбор теплообменного аппарата

Уточненным называется расчет коэффициентов теплоотдачи с учетом температуры стенки.

Расчет температуры стенки ведем методом последовательных приближений.

Первое приближение.

Задаемся значением температуры стенки со стороны пара, равным = 100⁰С.

Расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации пара с учетом температуры стенки на пучке вертикальных труб будем вести по формуле [1, с. 24]:

 , (8)

где ,,, - плотность, теплопроводность, удельная теплота конденсации, динамическая вязкость пленки при ;  - разность температур стенки и конденсирующегося пара;

- длина труб.

Температура пленки: ⁰С.

Для  = 16,5 ⁰С:

 = 59,06·10^-2 Вт/(м·К);

 = 998,7 кг/м^3;

 = 2460,85 ·10³ Дж/кг;  = 1108 ·10^-6 Па·с.

По формуле (8):

 Вт/(м²·К).

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды [1, с.16]:

, (9)

По формуле (9):

 ⁰С.

При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]

(Рr_ст2 )_І= 2,48.

С учетом температуры стенки

;

.

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:

Сравнивая (q₁)_I с (q₂)_I, приходим к выводу, что 91571,5>>52088, поэтому расчет температуры стенки продолжаем, задаваясь другим значением температуры стенки со стороны пара.

Второе приближение

Задаемся температурой стенки со стороны пара (t_ст1)_II = 105 ⁰С.

Температура пленки: ⁰С, тогда  = 133-105 = 28 ⁰С

Для  = 14 ⁰С:

 = 58,46·10^-2 Вт/(м·К);

 = 999,2 кг/м^3;

 = 2467,6 ·10³ Дж/кг;

 = 1186 ·10^-6 Па·с.

По формуле (7):

 Вт/(м²·К).

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):

 ⁰С.

При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]

(Рr_ст2 ) = 2,158.

С учетом температуры стенки:

;

.

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:

И во втором приближении разница между (q₁)_ІІ и (q₂)_II более 5%

Расчет продолжаем, определяя t_ст1 графически по пересечению линий q₁=f(t_ст1) и q₂=f(t_ст2)

По найденному графически температуре (t_ст1)_ІІІ=104,15С выполняем третий, проверочный расчет.

Температура пленки: ⁰С, тогда  = 133-104,5 = 28,85 ⁰С

Для  = 14,425 ⁰С:

 = 58,56·10^-2 Вт/(м·К);

 = 999,15 кг/м³;

 = 2466·10³ Дж/кг;

 = 1173 ·10^-6 Па·с.

По формуле (7):

 Вт/(м²·К).

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):

 ⁰С.

При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]

(Рr_ст2 )= 2,1.

С учетом температуры стенки:

;

.

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:

Сравнивая (q₁)_III с (q₂)_ІІІ, приходим к выводу, что отклонение

т.е. не превышает 5%, поэтому расчет можем считать законченным.

Удельные тепловые потоки по обе стороны стенки равны (рис.2)

Рис. 2 Схема процесса теплопередачи

По формуле (7) коэффициент теплопередачи:

.

Площадь поверхности аппарата определяем по формуле (1):

 м²,

По [1, табл. 1.8] ГОСТ 15122-79 окончательно выбираем двухходовой аппарат диаметром d=325 мм, с числом труб n = 56 шт, с длиной теплообменных труб L = 4000 мм и F = 17,5 м².

1.8 Обозначение теплообменного аппарата

1)  Диаметр кожуха D = 325 мм по [1, с. 29] ГОСТ 9617-76.

2)  Тип аппарата ТНВ – теплообменник с неподвижными трубными решётками вертикальный.

3)  Условное давление в трубах и кожухе – 0,3 МПа.

4)  Исполнение по материалу – М₁.

5)  Исполнение по температурному пределу – 0 – обыкновенное.

6)  Диаметр трубы d= 25 мм.

7)  Состояние поставки наружной трубы – Г – гладкая.

8)  Длина труб L= 4,0 м.

9)  Схема размещения труб – Ш – по вершинам равносторонних треугольников.

10)  Число ходов – 2.

Группа исполнения – А.

Теплообменник  гр. А ГОСТ 15122-79.

Рис. 3. Вертикальный двухходовой кожухотрубчатый теплообменник

1-кожух; 2-трубная решетка; 3-трубка, 4-крышка, 5-распределительная камера

2. Конструктивный расчет

Цель конструктивного расчета теплообменных аппаратов с трубчатой поверхностью теплообмена – расчет диаметров штуцеров и выбор конструкционных материалов для изготовления аппаратов, трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных трубок и трубных решеток к кожуху; конструктивной схемы поперечных перегородок и расстояния между ними; распределительных камер, крышек и днищ аппарата; фланцев, прокладок и крепежных элементов; конструкций компенсирующего устройства, воздушников, отбойных щитков, опор и т.п [1, стр.42].

2.1 Выбор конструкционных материалов для изготовления аппарата

Материал выбирают по рабочим условиям в аппарате: температуре, давлениям, химическим свойствам теплоносителей и др. При выборе материала пользуемся рекомендациями [1, табл. 2.2] и ГОСТ 15199-79, 15120-79, 15121-79, в которых указаны материалы основных деталей в зависимости от группы материального исполнения.

Группа материального исполнения – М₁. Материал: кожуха – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-79; распределительной камеры и крышки – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-89; трубы – сталь 10 ГОСТ 8733-87 [1, табл. 2.2].

2.2 Выбор трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных труб и трубных решеток к кожуху

Трубные решетки изготавливаются обычно цельными, вырезкой из листа. Для надежного крепления трубок в трубной решетки её толщина Sр_(min) (в мм) должна быть не менее [1, с. 45]

, (11)

где с – прибавка для стальных трубных решеток, мм, с = 5 мм;

d_н – наружный диаметр теплообменных трубок, мм, d_н = 25 мм.

По формуле (11):

 мм.

Толщину трубной решетки выбираем в зависимости от диаметра кожуха аппарата и уловного давления в аппарате [1, табл. 2.3]:

Sр = 27 мм.

Размещение отверстий в трубных решетках, их шаг регламентируется для всех теплообменников ГОСТ 9929-82.

По [1, с. 46] определяем шаг при размещении труб по вершинам равносторонних треугольников: при d_н = 25 мм, t = 32 мм; отверстия под трубы в трубных решетках и перегородках размещают в соответствии с ГОСТ 15118-79 [1, табл. 2.6].

Размещение отверстий в трубных решетках выбранного аппарата показано на рис. 3.

Рис. 4 Размещение отверстий в трубных решетках

Основные размеры для размещения отверстий под трубы 25 х 2 мм в трубных решетках выбираем по [1, табл. 2.7], диаметр предельной окружности, за которой не располагают отверстия под трубы:

D₀ = 287 мм,

2R = 281 мм,

Число отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках по рядам:

0 ряд – 6

1 ряд – 9

2 ряд – 8

3 ряд – 7

4 ряд – 4

Общее число труб в решетке – 56 шт.

Отверстия в трубных решетках выполняем гладкими. По ГОСТ 15118-79 под трубы с наружным диаметром 25 мм установлен диаметр 25,5 мм.

Крепление труб в трубной решетке должно быть прочным, герметичным и обеспечивать их легкую замену. Применяем для крепления труб способ развальцовки с последующей отбортовкой (рис. 4).

Рис.5 Крепление труб в трубной решетке развальцовкой с последующей отбортовкой

Конец трубы, вставленной с минимальным зазором в отверстие трубной решетки, расширяется изнутри раскаткой роликами специального инструмента, называемого вальцовкой.

По [1, табл. 2.8] в соответствии с ГОСТ 26291-94 принимаем минимальную толщину стенки корпуса S = 6 мм.

2.3 Выбор конструктивной схемы поперечных перегородок и расстояния между ними. Отбойники

Применяем внутренние поперечные перегородки с диаметрально чередующимся в них сегментными средами для поддержания расстояния между трубами (рис. 6).

Рис.6 Конструктивная схема поперечных перегородок

Диаметр отверстий для труб в перегородках 28 мм [1. с. 57]. Номинальный диаметр поперечных перегородок D_п=310 мм [1. с.58].

Неподвижные трубные решетки занимают место во впадинах фланцев корпуса и крышек (рис. 7).

Рис. 7 Узел крепления неподвижной трубной решетки: 1 – решетка трубная; 2 – фланец; 3 – прокладка; 4 – трубка теплообменная; 5 – кожух; 6 – крышка.

Для того чтобы теплообменники лучше работали, необходимо обеспечить минимальный зазор между корпусом и перегородкой. Номинальный диаметр D_п поперечных перегородок принимают в зависимости от внутреннего диаметра аппарата [1, с. 58]: D_п = 310 мм при D=315 мм. Максимальное расстояние между перегородками принимаем по [1, с. 58] равным 800 мм, а минимальная толщина перегородок [1, с. 59] 8 мм.

Взаимное расположение поперечных перегородок фиксируют несколькими стяжками между ними. Стяжки придают пучку жесткость и дополнительную прочность, обеспечивают удобства его сборки. Они представляют собой тяги из круглого прутка, пропущенные через отверстия перегородок и трубных решеток. В промежутке между перегородками надеты распорные трубки. Число стяжек принимаем в зависимости от диаметра аппарата [1, с. 59]:

диаметр стяжек – 12 мм,

число стяжек – 4.

При входе среды (пара) в межтрубное пространство теплообменника часто устанавливают отбойник, который защищает от местного износа трубы, расположенные против входного штуцера (рис. 7).

Рис. 8 Схема размещения отбойника

Отбойник выполняют в виде круглой пластины. Его размер должен быть не меньше внутреннего диаметра штуцера D₁, т.е. [1, с. 59].

 ¸20),

D = 200+15=215 мм.

Отбойник не должен создавать излишнее гидравлическое сопротивление, поэтому расстояние от внутренней поверхности корпуса до отбойника должно быть [1, с. 59]:

 ,  мм.

2.4 Выбор крышек и днищ аппарата

Крышки и днища теплообменных аппаратов выбираем в зависимости от диаметра кожуха. Наиболее распространенной формой днищ и крышек является эллиптическая форма с отбортовкой на цилиндр (рис. 8).

Рис. 9 Днище эллиптическое с отбортовкой

По [3, табл. 16.1] выбираем размеры днища эллиптического отбортованного стального диаметром 800 мм:

S_d = 6 мм, Н_d = 81 мм, h_у = 25 мм.

Днище 325 х 6-25 ГОСТ 481-58 [3, табл. 16.1].

Выбранное днище используем для изготовления входной и выходной крышек аппарата.

Марка стали – 09 Г 2 С [3, табл. 16.1].

2.5 Расчет диаметров штуцеров, выбор фланцев, прокладок и крепежных элементов

Присоединение трубопроводов к теплообменным аппаратам бывает разъемным и неразъемным. Разъемное присоединение труб осуществляется при помощи фланцевых резьбовых штуцеров. При диаметре трубопроводов более 10 мм применяют фланцевые штуцеры.

Диаметр штуцера зависит от расхода и скорости теплоносителя [1, с. 64]:

, (12)

где V – объемный расход теплоносителя, м³/с;

– скорость движения теплоносителя в штуцере, м/с;

S – площадь поперечного сечения штуцера, м², .

Скорости движения теплоносителей в штуцерах выбирают по [1, табл. 1.4], принимая их несколько большими, чем в аппарате.

Диаметр штуцера:

, (13)

Диаметр штуцеров для входа и выхода воды рассчитываем по уравнению (13), принимая скорость движения воды в штуцерах равной 2,0 м/с.

м.

Принимаем d_ш = 50 мм.

Диаметр штуцеров для насыщенного водяного пара и конденсата, расход которых D = 6,24·10^-1 кг/с.

Тогда объемный расход пара:

 м³/с,

а конденсата:

 м³/с.

Тогда, принимая скорость пара в штуцере  м/с, получаем:

 м.

Принимаем d_п = 100 мм.

Скорость конденсата в штуцере  м/с, тогда

 м.

Принимаем d_к = 32 мм.

Принимаем штуцера со стальными плоскими приварными фланцами с соединительным выступом (тип 1 – рис. 10).

Рис. 10 Фланец для штуцеров

Выбираем по D_у и р_у = 0,6 МПа [3, табл. 21.9].

Основные размеры фланцев:

·  фланцы штуцеров для ввода и вывода воды – Фланец 50-3 ГОСТ 1255-67: D_у = 50 мм, D_б =110 мм, D_ф = 140 мм, h = 13 мм, z = 4 шт, d_б =12мм;

·  фланец штуцера для ввода водяного пара – Фланец 100-3 ГОСТ 1255-67: D_у =100 мм, D_б = 170 мм, D_ф = 205 мм, z = 4 шт, h = 15 мм, d_б = 16 мм;

·  фланец штуцера для вывода конденсата – Фланец 30-3 ГОСТ 1255-67: D_у =32 мм, D_б = 90мм, D_ф = 120 мм, h = 15 мм, z = 4 шт, d_б = 18 мм.

Для присоединения крышек к корпусу аппарата используем тип 2 диаметром 325 мм (рис. 10).

Рис. 11 Фланец для аппарата

По [3, табл. 21.9] выбираем основные размеры фланцев для аппарата: фланец I-325-3 ГОСТ 1235-67: D_б = 395 мм, D_ф = 435 мм, h = 20 мм, d_б = 20 мм, z = 12т; прокладка – паронит ГОСТ 481-80.

2.6 Проверка необходимости установки компенсирующего устройства

Жесткое крепление трубных решёток к корпусу аппарата и труб в трубной решетке обуславливает возникновение температурных усилий в трубах и корпусе (кожухе) при различных температурах их направления и может привести к нарушению развальцовки труб в решетках, продольному изгибу труб и другим неблагоприятным явлениям.

В случае если трубы нагреваются сильнее, чем кожух, они становятся длиннее кожуха и давят на трубные решетки, стремясь удлинить и сам корпус (кожух). Если напряжения, возникающие при этом в материале трубок и кожуха, превышают допустимые, то появляется необходимость установки компенсирующего устройства (линзы, плавающей головки и т.п.).

По данным [1 табл.1.7] допускаемая разность температур кожуха и труб (не требующая установки компенсирующего устройства) при давлении Р_y  1,6 МПа составляет 60 ^оС.

Для рассматриваемого теплообменного аппарата температура стенки трубок

 ⁰С.

(см. подраздел 1.7), а минимальная температура кожуха может быть принята равной температуре пара, т.е. t_{ст (к)} = 133 ^оС.

Разность температур кожуха и трубок

 ⁰С,

следовательно, установка компенсирующего устройства не требуется.

2.7 Опоры аппарата

Химические аппараты устанавливают на фундаменты или специальные несущие конструкции при помощи опор. Тип опоры выбирают в зависимости от конструкции оборудования, нагрузки и способа установки. При установке вертикальных аппаратов широко применяются лапы на полу или на фундаментах. При наличии нижних опор аппарат устанавливают на три или четыре точки, при подвеске между перекрытиями – на три лапы и более.

Расчетную нагрузку, воспринимаемую опорой аппарата, определяют по максимальной силе тяжести его в условиях эксплуатации или гидравлического испытания (при заполнении аппарата водой) с учетом возможных дополнительных внешних нагрузок от силы тяжести трубопроводов, арматуры и т. д. Вес аппарата (с жидкостью) делится на число "лап", и по допустимой нагрузке на опору выбирают ее основные размеры по [1, табл. 2.13].

Принимаем число лап равным 3, а допустимую нагрузку равную 4000 Н. По [1, табл. 2.13] выбираем основные размеры опор вертикального аппарата при допустимой нагрузке 4000 Н: a=75 мм, a₁=95 мм, b=95 мм, с=20 мм, c₁=50 мм, h=140 мм, h₁=10 мм, S₁=5 мм, k=15 мм, k₁=25 мм, d=12 мм.

Рис. 12 Опора вертикального аппарата

3. Гидравлический расчет

Цель гидравлического расчета – определение величины сопротивлений различных участков трубопроводов и теплообменника и подбор насоса, обеспечивающего заданную подачу и рассчитанный напор при перекачке воды.

Теплоносители должны подаваться в теплообменный аппарат под некоторым избыточным давлением для того, чтобы преодолеть гидравлическое сопротивление аппарата и системы технологических трубопроводов за аппаратом, переместить теплоноситель из одной точки пространства в другую (например, поднять его) и иметь возможность сообщить ему дополнительную скорость. При этом теплоноситель должен обладать достаточной энергией в заданной точке технологической схемы.

Потери энергии жидкостью и газами при их движении, обусловленные внутренним трением, определяют величину гидравлического сопротиления [1, с. 79].

3.1 Расчет гидравлических сопротивлений трубопроводов и аппаратов, включенных в них

Теплообменные аппараты включаются в трубопроводы, входящие в состав насосных установок, образующих технологические схемы различных пищевых или химических отраслей промышленности. Расчету принадлежит схема насосной установки, предлагаемая в задании на проектировании.

Различают два вида гидравлических сопротивлений (потерь напора): сопротивление трения и местные сопротивления: и . Для расчета потерь напора по длине пользуются формулой Дарси-Вейсбаха [2]:

,

где  - гидравлический коэффициент трения;

 - длина трубопровода, по которому протекает теплоноситель, м;

d – диаметр трубопровода, м;

 - скоростной напор,м.

Для расчета потерь напора в местных сопротивлениях применяют формулу Вейсбаха:

,

где  - коэффициент местных сопротивлений;

 - скоростной напор за местным сопротивлением.

3.1.1 Разбивка трубопровода насосной установки на участки:

Гидравлическому расчету подлежит схема, представленная на рис. 12.

Рис. 12 – Схема насосной установки

1 –емкость; 2 – насос; 3 – теплообменник; 5 – стерилизуемый аппарат.

Трубопровод состоит из всасывающей и напорной линий. Всасывающая линия – трубопровод от нижней части емкости до насоса. Напорная линия – участок трубопровода от насоса до теплообменника, теплообменник 3, участок от теплообменника 3 до стерилизуемого аппарата 4.

3.1.2 Определение геометрических характеристик участков трубопровода, скоростей и режимов движения в них теплоносителя

Диаметры всасывающего и напорного трубопроводов определим из уравнения расхода (12), принимая по [1, табл. 1.4] скорость во всасывающем трубопроводе м/с, а в напорном –  м/с.

 м.

По ГОСТ 8732-78 [4, таб. 2.34] выбираем трубу для всасывающего трубопровода диаметром 70 мм.

Скорость движения воды на всасывающем участке трубопровода:

 м/с,

а режим движения

 – турбулентный, так как Re>10⁴ [6, с.43].

где м²/с – кинематический коэффициент вязкости при t=14⁰С.

 м

По ГОСТ 8732-78 [4,таб. 2.34] выбираем трубу для напорного трубопровода диаметром 50 мм.

Скорость движения воды на напорном участке трубопровода

 м/с.

Режим движения воды на напорном участке трубопровода от насоса до теплообменника

 – турбулентный, так как Re>10⁴ [6, с. 43].

Режим движения воды на напорном замкнутом участке трубопровода, включающего теплообменник и стерилизуемый аппарат.

 - турбулентный, так как Re>10⁴,

где м²/с - кинематическая вязкость воды при t = 92°С

3.1.3 Расчет сопротивлений трубопроводов и аппаратов, включенных в них

Всасывающий участок трубопровода

При турбулентном режиме движения гидравлический коэффициент трения  может зависеть и от числа Рейнольдса, и от величины шероховатости трубы.

Рассчитаем гидравлический коэффициент трения  для гидравлически гладких труб по формуле Блазиуса:

. (14)

.

Проверим трубу на шероховатость, рассчитав толщину вязкого подслоя  и сравнив ее с величиной абсолютной шероховатости стальной бесшовной новой трубы: ,

 м,

, значит, труба гидравлически гладкая и . На всех остальных участках трубопровода будем считать трубы гидравлически гладкими.

По формуле Дарси-Вейсбаха

, (15)

 м.

Согласно схеме насосной установки (рис. 12) на всасывающей линии имеются следующие местные сопротивления: два плавных поворота на 90– ,[1, табл. 3.3]. Следовательно, , а по формуле Вейсбаха:

 , (16)

где  – коэффициент местных сопротивлений;

 – скоростной напор за местным сопротивлением.

 м.

Суммарные потери напора на всасывающем участке трубопровода:

м.

Участок напорного трубопровода от насоса до теплообменника

 м.

Согласно расчетной схеме (рис. 12) на напорном участке трубопровода от насоса до теплообменника имеется два местных сопротивления: два плавных поворота –  [1, табл. 3.3].

Поэтому

 м.

Суммарные потери напора на участке напорного трубопровода от насоса до теплообменника:

 м.

Теплообменник

 м.

Определим напор, теряемый в местных сопротивлениях теплообменника (рис. 13).

Рис. 13 – Коэффициенты местных сопротивлений теплообменника

Предварительно вычислим площади потока в различных участках.

1. Площадь поперечного сечения штуцера:

 м²;

2. Площадь поперечного сечения крышки (свободного сечения аппарата)

 м²;

3. Площадь поперечного сечения 56 труб теплообменника:

 м².

Скорости и скоростные напоры в соответствующих сечениях:

 м/с;

 м;

 м/с;

 м;

 м/с;

 м.

Коэффициенты местных сопротивлений:

а) при входе потока через штуцер в крышку (внезапное расширение):

;

б) при входе потока из крышки в трубы (внезапное сужение):

;

в) при выходе потока из труб в крышку (внезапное расширение):

;

г) при входе потока из крышки в штуцер (внезапное сужение):

.

Вычисляем потери напора в местных сопротивлениях:

а) при входе потока через штуцер:

 м;

б) при входе потока из крышки в трубы первого хода аппарата:

 м;

в) при выходе потока из труб в крышку:

 м;

г) при выходе потока из крышки через штуцер:

 м;

д) при повороте из одного хода в другой на 180° (=2,5):

 м.

Суммарные потери напора в местных сопротивлениях теплообменника:

Общие потери напора (по длине и в местных сопротивлениях теплообменника):

 м.

Диаметр напорного трубопровода d_н = 0,05 м совпадает с диаметрами штуцеров d_ш = 0,05 м, следовательно при входе и выходе из теплообменника потерь напора не будет .

Участок напорного трубопровода от теплообменника до стерилизуемого аппарата

.

м.

Участок напорного трубопровода от теплообменника до стерилизуемого аппарата включает следующие местные сопротивления: 6 плавных поворот на 90⁰ . Тогда сумма коэффициентов местного сопротивления .

м.

м.

Суммарные потери напора в насосной установке (сети)

м

3.2 Определение требуемого напора насоса

Требуемый напор насоса определяем по формуле:

, (17)

где Н=8м– высота подъёма жидкости в насосной установке (от насоса), м,

h_вс – высота всасывания насоса, h_вс= 0,5 м;

Р_к – давление в стерилизуемом аппарате , Р_к = 0,55 МПа;

Р_ат – атмосферное давление, Р_ат = 9,81×10⁴ Па;

 – суммарные потери напора в сети, = 9,17 м.

По формуле (17):

м.

3.3 Выбор типа и марки насоса по расчетному напору и заданной подаче

По полю характеристик V – Н насосов для чистой воды [8, c. 328] по заданной подаче V = 4×10^-3 м³/с (14,4 м³/ч) к рассчитанному требуемому напору Н_тр =64,4 м выбираем насос по ГОСТ 22247-96: К 290/18б-У2, n=1450 об/мин.

3.4 Построение характеристик насоса и трубопровода. Определение рабочей точки насоса

По каталогу насоса для химических производств [6] строим рабочие характеристики выбранного насоса – зависимости Н = f(V), N = f(V), h = f(V).

Для построения характеристики трубопровода рассмотрим его уравнение (17).

Первые два слагаемых уравнения являются величиной постоянной и определяют собой статистический напор, тогда

,

где  м.

Так как трубопровод эксплуатируется в квадратичной зоне сопротивлений (Re >10⁵), то зависимость потерь напора в трубопроводе от изменения скоростей носит квадратичный характер, т.е.

, (18)

где в – коэффициент пропорциональности, определяемый по координатам т. А, лежащей на этой кривой.

Н = f(V), η=f(V)

Для этой точки имеются:

 м³/с – (по заданию);

Н_Д = Н_тр = 64,4м

 м.

Отсюда

.

Уравнение кривой сопротивления трубопровода, выражающее собой потребные напоры насоса при подаче различных расходов по заданному трубопроводу

Задаваясь различными значениями расходов V, рассчитываем соответствующие им значения Н_тр = f(V).

Результаты расчета сводим в таблицу 2.

Таблица 2 Характеристики трубопровода

По данным таблицы 2 строим характеристику трубопровода Н_тр = f(V), отложив на оси ординат величину Н_ст =55,3 м.

Точка пересечения характеристик насоса и трубопровода определяет рабочую точку А. Координаты рабочей точки:

V_А = 16 м³/ч = 0,0044 м³/с; Н = 66 м;  %;

N_e= кВт.

Так как V_А = 16 м³/ч больше заданной подачи V_А=14,4 м³/ч, то необходимо отрегулировать работу насоса на сеть одним из способов: прикрытием задвижки на напорной линии (дросселирование); уменьшением частоты вращения вала рабочего колеса насоса; обрезкой рабочего колеса.

Заключение

Расчет курсового проекта состоит из трех основных расчетов: теплового, конструктивного и гидравлического.

В тепловом расчете определили необходимую площадь теплопередающей поверхности, в нашем случае F = 17,5 м², которая соответствует заданной температуре и оптимальным гидродинамическим условиям процесса. По полученным расчетным путем данным выбрали теплообменник  гр. А ГОСТ 15122-79.

В конструктивном расчете произвели расчет диаметров штуцеров, выбрали конструкционные материалы для изготовления аппаратов, трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных трубок и трубных решеток к кожуху; конструктивную схему поперечных перегородок и расстояния между ними; распределительные камеры, крышки и днища аппарата; фланцы и прокладки.

В гидравлическом расчете выбрали необходимый насос по полученному требуемому напору, в нашем случае H_тр=64,4 м и заданная подача V=4·10^-3 м³/с (234 м³/ч) выбираем насос CR 15-6, мощность которого 5,5 кВт, который обеспечивает заданную подачу и рассчитанный напор при перекачке воды.

Список использованных источников

1.  Логинов А.В. Процессы и аппараты химических и пищевых производств (пособие по проектированию) / А.В. Логинов, Н.М. Подгорнова, И.Н. Болгова. – Воронеж: ВГТА, – 2003. – 264 с.

2.  Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособ. для студ. химико-технол. спец. вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; Под ред. П.Г. Романкова. – 8-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1976. – 552 с.

3.  Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский; Под ред. Н.Н. Логинова. – 2-е изд; перераб. и доп. – Л.: Машиностроение, 1970. – 753 с.

4.  Ю.И. Дытнерский, Г.С. Борисов, В.П. Брыков. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и допол. – М.: Химия, 1991. – 496 с.

5.  Насосы и насосные установки пищевых предприятий: Учеб. пособие / А.В. Логинов, М.Н. Слюсарев, А.А. Смирных. – Воронеж: ВГТА, 2001. – 226 с.

6.  А.Г Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов.- 10-е изд., стереотипное, доработанное. Перепеч. С изд. 1973г.- М.: ООО ТИД "Альянс", 2004.-753с.