Кожухотрубчатый рекуперативный аппарат.

ВВЕДЕНИЕ.

 

Теплообмен- учение о самопроизвольном необратимо протекающем процессе распространения теплоты в пространстве. Процессы теплообмена сопровождаются химическими реакциями и физическими превращениями (нагревание, охлаждение, кипение, конденсация и др.). Процессы теплообмена делятся на: теплопроводность, конвекцию, излучение.

Теплообменными аппаратами называют устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому, а также для осуществления различных технологических процессов: нагревание, охлаждение, кипение, конденсация и др.

Теплообменные аппараты бывают различных типов:

· контактного типа (смесительные аппараты);

· поверхностного типа.

В контактных аппаратах теплообмен осуществляется при непосредственном соприкосновении теплоносителей и, как правило, сопровождается переносом массы. Поверхность твердой стенки или границы раздела контактирующих сред, через которую осуществляется теплообмен, называется поверхностью теплообмена или поверхностью нагрева, а если теплообмен сопровождается передачей масс,- поверхностью тепломассообмена.В теплообменных аппаратах поверхностного типа теплообмен идет через разделительную стенку и, теплоносители не смешиваются (рекуперативные аппараты). Данные аппараты нашли широкое применение в теплоэнергетике для нагрева (охлаждения) воды (пара) в испарителях и конденсаторах. Так же используются для теплообмена двух жидкостей в теплообменниках типа «труба в трубе», данные теплообменные аппараты имеют поверхности нагрева от нескольких квадратных сантиметров до нескольких сотен квадратных метров.

Основные требования, предъявляемые к конструкциям теплообменных аппаратов:

 

 

- строгое обеспечение заданного технологического режима;

- обеспечение высокой удельной плотности теплового потока;

- высокая экономичность;

_ наименьшее гидравлическое сопротивление, компактность;

- надежность и безопасность эксплуатации;

-герметичность в сочетании с разборностью и доступностью поверхности теплообмена для механической очистки ее от загрязнения;

- удобство монтажа, ремонта, обслуживания.

Поверхностные теплообменные аппараты делят на рекуперативные и регенеративные.

Рекуперативные – аппараты, в которых теплообмен идет через разделительные стенки.

Регенеративные – аппараты, в которых два или более теплоносителей поочередно соприкасаются с насадкой, причем тепловой поток меняет свое направление на противоположное.

По конструкционному оформлению теплообменные аппараты бывают: трубчатые, змеевиковые, оросительные, секционные, ребристые, пластинчатые, спиральные.

По виду теплоносителей теплообменные аппараты бывают водо-водяные, пароводяные, газо-воздушные, газо-мазутные.

Теплообменные аппараты бывают одноходовыми и многоходовыми (рис.1).

Многоходовые теплообменные аппараты изготавливают для увеличения поверхности теплообмена при меньших габаритах, обеспечивая большую компактность.

Так же теплообменные аппараты бывают прямоточные, противоточные и перекрестные в зависимости от движения теплоносителей в них. Лучшие результаты с точки зрения снижения поверхности нагрева дает противоточное движение, поэтому во всех теплообменных аппаратах, где это возможно, создают противоток движения теплоносителей.

 

 

Кожухотрубчатый рекуперативный аппарат.

 

Рис.1.

 

 

МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ.

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

3.1. Определим толщину стенки кожуха.

где

р – расчетное давление (давление греющего пара), Па;

s_доп – допускаемое напряжение, Па, s_доп = 132,2 МПа

j_св – коэффициент прочности сварного шва; j_св = 1

C – прибавка на минусовые допуски проката, коррозию и др., м,

 

Выбираем стандартную толщину кожуха, близкую к полученному значению - мм.

3.2.Производим расчет толщины эллиптического днища. Исходя из условия технологичности изготовления, принимаем предварительно d_д = d_к = 4 мм, тогда толщина стенки днища, имеющего
отверстие, определяется по выражению

 

 

Условия применимости этой формулы:

где

h_вып – высота выпуклой части днища (рис.4), м;

h_вып = 0,4×D_вн = 0,4×0,8=0,32 м

D_вн - внутренний диа-
метр корпуса. м;

d – наибольший диаметр отверстия в днище, м;

C – прибавка, учитывающая допуск на прокат, коррозию и т.д., м;

z - коэффициент, учитывающий ослабление днища из-за отверстия.

3.3.Определяем коэффициент, учитывающий ослабление днища
из-за отверстия

3.4. Произведем расчет трубной решетки.

Расчетное давление при расчете трубной решетки выбирается
по большему из трех следующих значений:

где

 

P_м, P_т – давление в межтрубном и трубном пространстве соот-
ветственно, Па, , ;

P_м.п, P_т.п - пробное давление при гидравлическом
испытании в межтрубном пространстве и в трубах, Па, , ;

r - отношение жесткости трубок к жесткости кожуха;

g - расчетный температурный коэффициент;

k - модуль упругости системы трубок, МПа/м;

a – коэффициент перфорации.

3.5. Определяем коэффициент, выражающий отношение жесткости трубок к жесткости кожуха.

где

Е_т, Е_к - модули упругости материала трубок и кожуха соответственно, (т. к. кожух и трубки стальные, ), МПа;

F_т, F_к – площади сечения ма-
териала трубок и кожуха, м².

3.6. Вычисляем площадь сечения материала трубок

где

n – количество трубок, шт.;

d_н, d_вн - наружный и внутренний диаметры трубок, м , .

.

3.7. Определяем площадь сечения материала кожуха

.

3.8.Вычисляем расчетный температурный коэффициент

 

где

t_т, t_к – температуры трубок и кожуха °С;

a_т, a_к – коэффициенты линейного удлинения трубок и кожуха соответственно, 1/град. a_т = 14×10^-61/град; a_к = 11,7×10^-61/град.

t_к = t_гр.п. – (70¸85) = 166 – 76 = 90 °С

t_т = t_гр.п. – (15¸20) = 166 – 16 = 150 °С

3.9.
Определяем модуль упругости системы трубок

где

- длина трубок, м:

- внутренний радиус корпуса, м.

.

3.10.
Вычисляем коэффициент перфорации

.

.

3.11.Определяем толщину трубной решетки

3.12.Определяем толщину трубной решетки из условия прочности на изгиб

 

где

D₀ - диаметр окружности, на которую опирается трубная доска,

P_р - расчетное давление, Па;

y - коэффициент, зависящий от
формы и способа крепления трубной доски;

j - коэффициент, учитывающий ослабление трубной решетки;

С - поправка на минусовые допуски проката, коррозию и т.д., м.

При расчетном давлении, действующем со стороны крышки, в
качестве D₀ принимается внутренний диаметр корпуса, поэтому
D₀ = D_вн = 0,8 м.

В данном подогревателе используем круглые трубные доски,
не подкрепленные анкерными связями, следовательно, y = 0,5.

3.13. Вычисляем коэффициент, учитывающий ослабление трубной
доски,

где

D_н - наружный диаметр кожуха, м;

N₁ - наибольшее количество
трубок в одном ряду, шт.;

d₀ - диаметр отверстия под трубку в
трубной доске, м.

d₀ = d_н + 0,0008 = 0,029+ 0,0008 = 0,0298, м.

3.14.Определяем наибольшее количество трубок в одном ряду

где

К - кольцевой зазор между крайними трубками и корпусом аппарата, м, ;

S - шаг между трубками, м, .

.

3.15.Производим определение толщины трубной решетки, исходя
из условия надежности развальцовки:

где

q - допускаемое напряжение на вырывание трубок из решетки,
МПа;

Р_тр - осевое усилие в наиболее нагруженной трубке, Н.

d_н - наружный диаметр трубок, м.

Для трубок, завальцованных с отбортовкой, q = 40 МПа.

3.16.Определяем осевое усилие в наиболее нагруженной трубке

Р_тр = sp(d_н - d_т)d_т, Н,

г де

d_т - толщина трубки, м;

s - напряжение изгиба в трубной решетке, МПа.

Р_тр = 132,2×3,14(0,029 – 0,001)0,001=0,0116 Н

3.17. Расчет фланцевых соединений и болтов.

3.17.1.Определяем полное усилие, действующее на все болты фл-
анцевого соединения,

Q = Р + Р_упл, Н,

где

Р - сила внутреннего давления среды на площадь, Н;

Р_упл - сила,
необходимая для обеспечения плотности соединения

 

при давлении
рабочей среды, Н.

Р = 0,785×D²_пр×Р_с, Н,

где

D_пр - средняя линия прокладки, м;

Р_c - сила внутреннего давления среды на площадь, Па.

3.17.2.Определяем среднюю линию прокладки

D_пр = 0,5(D_н + D_в), м,

где

D_н и D_в - наружный и внутренний диаметры прокладки соот-
ветственно, м.

D_пр = 0,5(0,82 + 0,8) = 0,81, м

Р = 0,785×0,81×0,7×10⁶ = 0,36×10⁶, Н

3.17.3.Определяем силу, необходимую для обеспечения плотности
соединения

Р_упл = q×F_пр, Н,

где

q - расчетное удельное давление на единицу площади прокладки, Па, ;

F_пр - площадь прокладки, м².

3.17.4.Вычисляем площадь прокладки

F_пр = 0,785×(D²_н - D²_в), м²,

F_пр = 0,785×(0,82² – 0,8²) = 0,025, м²

Р_упл = 15×10⁶×0,025 =0,375×10⁶, Н

Q = 0,36×10⁶ + 0,375×10⁶ = 0,735×10⁶, Н

Проверка расчетной нагрузки (q_max = 130 МПа):

Q £ q_max×F_пр.

Расчетная нагрузка не превышает максимальную и не будет вызывать повреждение прокладки или превосходить ее прочность, т. к.

условие соблюдается.

 

 

1.17.5. Определяем диаметр болта

где

Q - полное усилие на все болты, Н;

D_пр - средняя линия про-
кладки, м;

h - поправочный коэффициент (h = 0,9);

s_т - предел текучести материалов болтов при рабочей температуре (s_т = 245 МПа), Па.

3.17.6.Вычисляем количество болтов во фланцевом соединении

где

L – общая длина окружности, на которой расположены центры болтов, мм;

t_б - шаг между болтами, мм.

Из конструктивных соображений шаг между болтами прини-
маем в пределах 2,5¸5 диаметров болтов: 3.17.7Определяем длину окружности, на которой расположены цен-
тры болтов,

L = p (D_вн + d_к + d_б +К), мм,

где

d_к - толщина стенки кожуха, мм;

К - монтажный зазор
(К = 25¸30 мм):

d_б - диаметр болтов, мм;

D_вн - внутренний диа-
метр корпуса. мм.

L = 3,14 (800 + 4 + 18 + 27) = 2665,86 мм,

 

 

3.17.8. Определяем расчетное усилие на болт

3.17.9. Определяем толщину приварного фланца

где

r₀ - радиус окружности расположения болтов, м;

r – внутренний
радиус корпуса, м;

s_доп = 230 - допускаемое напряжение на изгиб,
МПа;

а = 0,6 - для фланцев, подверженных изгибу.

 

3.17.10. Определяем радиус окружности расположения болтов

r₀ = (D_вн + d_к + d_б + К)×0,5, мм,

r₀ = (0,8 + 0,0004 + 0,018 + 0,027)×0,5 = 0,422 м

r = D_вн/2=0,8/2=0,4 м

Обобщение результатов механического расчета:

1. Толщина стенок кожуха и днища 4мм

2. Параметры трубной решётки:

расчётное давление 11,1МПа

толщина 170 мм

 

3. Характеристики фланцевого соединения:

количество болтов 30 шт

расчётное усилие на болт 70 кН

диаметр болтов 18 мм

высота фланца 55 мм

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Для закрепления теоретических знаний по курсу «Тепломассообмен» была выполнена курсовая работа: «Расчет пароводяного подогревателя»

В конструктивном расчете теплообменного аппарата решались 3 задачи:

1. тепловая;

2. гидравлическая;

3. механическая.

В тепловом расчете были определены: физические параметры воды и водяного пара; средняя логарифмическая разность температур: для первой зоны , для второй зоны ; количество тепла, передаваемое паром воде, для двух зон теплообмена Q = 14485,16 кВт; массовый расход пара D_п = 6,73 кг/с; коэффициенты теплоотдачи: для воды , для пара ; коэффициент теплопередачи: для первой зоны: для первой зоны: , для второй зоны , поверхность нагрева составила F= 90 м². Общее количество трубок n=301 шт, их длина L=3 м.

В гидравлическом расчете определили: полный напор, необходимый для перемещения воды через аппарат, который составил , а также мощность, необходимую для движения воды через подогреватель N= 0,36 кВт, размеры патрубков: для воды: F_пат = 0,05 м², d_пат = 0,25 м, для входа пара: F_пат = 0,07 м², d_пат = 0,23 м, для выхода конденсата: F_пат = 0,002 м², d_пат = 0,05 м, для откачки воздуха: F_пат = 0,0003 м², d_пат = 0,02 м.

В механическом расчете при расчете на прочность были определены:

расчетное давление Р_р = 11,1 МПа

количество болтов z = 30 шт, их диаметры d_б = 18 мм

высота фланца h = 55 мм

расчетное усилие на болт P_б = 70 кН

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Тепломассообмен. Проектирование поверхностного кожухотрубного теплообменника: Учебно-методическое пособие / В.Н. Федяева, А.А. Федяев, С.В. Белокобыльский.- Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2004-124 с.

2. Бакластов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок. – М.: Энергия, 1970.

3. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия, 1975.

4. Промышленные тепломассообменные процессы и установки: Учебник для вузов / А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, О.Л. Данилов и др.; Под ред. А.М. Бакластова. – М.: Энергоатомиздат, 1986.

5. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина.- М.: Энергоатомиздат, 1991.

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ.

 

Теплообмен- учение о самопроизвольном необратимо протекающем процессе распространения теплоты в пространстве. Процессы теплообмена сопровождаются химическими реакциями и физическими превращениями (нагревание, охлаждение, кипение, конденсация и др.). Процессы теплообмена делятся на: теплопроводность, конвекцию, излучение.

Теплообменными аппаратами называют устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому, а также для осуществления различных технологических процессов: нагревание, охлаждение, кипение, конденсация и др.

Теплообменные аппараты бывают различных типов:

· контактного типа (смесительные аппараты);

· поверхностного типа.

В контактных аппаратах теплообмен осуществляется при непосредственном соприкосновении теплоносителей и, как правило, сопровождается переносом массы. Поверхность твердой стенки или границы раздела контактирующих сред, через которую осуществляется теплообмен, называется поверхностью теплообмена или поверхностью нагрева, а если теплообмен сопровождается передачей масс,- поверхностью тепломассообмена.В теплообменных аппаратах поверхностного типа теплообмен идет через разделительную стенку и, теплоносители не смешиваются (рекуперативные аппараты). Данные аппараты нашли широкое применение в теплоэнергетике для нагрева (охлаждения) воды (пара) в испарителях и конденсаторах. Так же используются для теплообмена двух жидкостей в теплообменниках типа «труба в трубе», данные теплообменные аппараты имеют поверхности нагрева от нескольких квадратных сантиметров до нескольких сотен квадратных метров.

Основные требования, предъявляемые к конструкциям теплообменных аппаратов:

 

 

- строгое обеспечение заданного технологического режима;

- обеспечение высокой удельной плотности теплового потока;

- высокая экономичность;

_ наименьшее гидравлическое сопротивление, компактность;

- надежность и безопасность эксплуатации;

-герметичность в сочетании с разборностью и доступностью поверхности теплообмена для механической очистки ее от загрязнения;

- удобство монтажа, ремонта, обслуживания.

Поверхностные теплообменные аппараты делят на рекуперативные и регенеративные.

Рекуперативные – аппараты, в которых теплообмен идет через разделительные стенки.

Регенеративные – аппараты, в которых два или более теплоносителей поочередно соприкасаются с насадкой, причем тепловой поток меняет свое направление на противоположное.

По конструкционному оформлению теплообменные аппараты бывают: трубчатые, змеевиковые, оросительные, секционные, ребристые, пластинчатые, спиральные.

По виду теплоносителей теплообменные аппараты бывают водо-водяные, пароводяные, газо-воздушные, газо-мазутные.

Теплообменные аппараты бывают одноходовыми и многоходовыми (рис.1).

Многоходовые теплообменные аппараты изготавливают для увеличения поверхности теплообмена при меньших габаритах, обеспечивая большую компактность.

Так же теплообменные аппараты бывают прямоточные, противоточные и перекрестные в зависимости от движения теплоносителей в них. Лучшие результаты с точки зрения снижения поверхности нагрева дает противоточное движение, поэтому во всех теплообменных аппаратах, где это возможно, создают противоток движения теплоносителей.

 

 

Кожухотрубчатый рекуперативный аппарат.

 

Рис.1.