Курсовой проект - Проектировать холодильник-конденсатор - файл n3.doc

Курсовой проект - Проектировать холодильник-конденсатор
скачать (299.9 kb.)
Доступные файлы (3):
n1.frw
n2.frw
n3.doc236kb.23.03.2005 23:09скачать

n3.doc

Задание по курсовому проекту.

Рассчитать и запроектировать холодильник-конденсатор для конденсации водяного пара по следующим данным:


Расчетная часть.

I. Тепловой расчет.

1. Схема процесса:
Зоны:

I
t
– конденсация насыщеного пара при tконд;

II – охлаждение конденсата до t.

tнас

tнас

t2к

Qконд

II

I

Qохл


tx


t

- расчет тепловой нагрузки аппарата

2. Температуру парового потока на входе определяем по таблице LVII [1, с.550]:

При Pп = 4 ат = 4 кгс/см2 tнас = 142,9 єС.

3. Количество тепла при конденсации насыщеных паров:

Qконд = Gпr = (10*1000/3600)(2141*1000) = 5947222 Вт,

где r = 2141кДж/кг – теплота конденсации насыщеного пара (определяется по таблице LVII [1, с.550]).

4. Количество тепла при охлаждении конденсата:

Qохл = Gпск(tнас – t) = (10*1000/3600)(1,005*4,19*103)(142,9-90) = 618783 Вт,

где cк = 1,005 ккал/кгК – удельная теплоемкость конденсата при tср.к = (t+ tнас)/2 = 116єС (определяется по номограмме XI [1, с.562]).

5. Общая тепловая нагрузка конденсатора:

Q = Qконд + Qохл = 5947222 + 618783 = 6566005 Вт.

- расчет движущей силы теплопередачи

6. Расход охлаждающей воды:

Gв = Q/(cв(t – t)) = 6566005/(1,001*4,19*103*(40-25)) = 104,371 кг/с,

где св = 1,001 ккал/кгК – удельная теплоемкость охлаждающей воды при tср.в = (t+ t)/2 = 33єС (определяется по номограмме XI [1, с.562]).

7. Граничная температура:

tx = Qохл/(Gвсв) + t = 618783/((10*1000/3600)(1,005*4,19*103)) + 25 = 26,4 єС.

8. Средняя разность температур для зоны конденсации насыщеного пара:

єС.

9. Средняя разность температур для зоны охлаждения конденсата:

єС.

- ориентировочный расчет поверхности теплопередачи

10. Максимальная поверхность конденсации:

Fконд = Qконд/(Kкондtср.конд) = 5947222/(800*109,7) = 67,8 м2,

где Кконд = 800 Вт/м2К – минимальный коэффициент теплопередачи (взяли по таблце II.1 [2, с.21]).

11. Максимальная поверхность охлаждения конденсата:

Fохл = Qохл/(Kохлtср.охл) = 618783/(800*88,4) = 8,7 м2,

где Кохл = 800 Вт/м2К – минимальный коэффициент теплопередачи (взяли по таблце II.1 [2, с.21]).

12. Полная максимальная поверхность теплопередачи:

Fор = Fконд + Fохл = 67,8 + 8,7 = 76,5 м2.

- уточненный расчет поверхности теплопередачи и выбор аппарата

13. Для обеспечения турбулентного течения воды при Re’в > 10000 скорость в трубах с dн = 25x2 мм должна быть больше w’в:

м/с,

где dв = 25 – 2*2 = 21 мм, ?в = 0,7523 мПас – динамическая вязкость воды при tср в = (t + t)/2 = 33єС (определяется по таблице VI [1, с.514]), ?в = 995 кг/м3 – плотность воды при tср = (t + t)/2 = 33єС (определяется по таблице XXXIX [1, с.537]).

14. Объемный расход воды:

Vв = Gв/ ?в = (10*1000/3600)/995 = 0,105 м3/с.

15. Число труб 25x2 мм, обеспечивающих объемный расход воды при Re’в = 10000:



16. Условию n < 842 и F < 76,5 м2 удовлетворяет (по таблице 4.12 [1, c.215]) теплообменник с параметрами:

Диаметр кожуха внутренний D = 0,8 м;

Число ходов z = 1;

Число труб n = 465;

Поверхность теплообмена F = 73 м2;

Длина труб l = 2 м;

Трубное проходное сечение Sт = 16,110-2 м2;

Межтрубное проходное сечение Sм = 7,910-2 м2;

Число рядов труб np = 23;

Общая длина аппарата L = 3,07 м.

17. Уточняем значение критерия Reв:

Reв = Re’n’/n = 10000*842/465 = 18099.

18. Уточненное значение скорости в трубах:

м/с.

19. Критерий Прандтля для воды при tср в = (t + t)/2 = 33єС:

Prв = св?в/в = 4194*(0,7523*10-3)/(62,3*10-2) = 5,06,

где в = 62,310-2 Вт/мK – коэффициент теплопроводности воды при tср в = (t + t)/2 = 33єС (определяется по таблице XXXIX [1, с.537]).

20. Определяем критерий Нуссельта для воды:

Nuв = 0,021Reв0,8Prв0,43( Prв/ Prст.в)0,25l = 0,021*(18099)0,8*(5,06)0,43*1,05*1 = 112,8,

где l = 1 – коэффициент, зависящий от отношения l/dв и критерия Reв (по таблице 4.3 [1, c.153]), ( Prв/ Prст.в)0,25 = 1,05 для воды.

21. Коэффициент теплоотдачи для воды:

?в = Nuвв/dв = 112,8*(62,3*10-2)/0,021 = 3348 Вт/м2К.

22. Коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации на наружной поверхности пучка горизонтальных труб:

?конд = 2,02п(?2пln/(?пGп))1/3 = 2,02*0,6*(68,5*10-2)/(9232*2*465/(192,7*10-6* (10*100/3600)))1/3 = 9462 Вт/м2К,

где  = 0,6 – коэффициент при n > 100 [2, c.23], п = 68,510-2 Вт/мК - коэффициент теплопроводности конденсата при tнас = 142,9єС, ?п = 923 кг/м3 – плотность конденсата при tнас = 142,9єС, ?п = 192,710-6 Пас – динамическая вязкость конденсата при tнас = 142,9єС (значения п, ?п, ?п определяется по таблице XXXIX [1, с.537]).

23. Критерий Прандтля для конденсата при tср = (tнас + t)/2 = 116єС:

Prк = ск?к/к = 4194*(239,7*10-6)/(68,4*10-2) = 1,48,

где к = 68,410-2 Вт/мK – коэффициент теплопроводности и ?к = 239,710-6 Пас – динамическая вязкость конденсата при tср = (tнас + t)/2 = 116єС (определяется по таблице XXXIX [1, с.537]).

24. Критерий Нуссельта для пленочного течения конденсата по ур. VII,54 [3, с.286] при Reпл = 12 (ламинарное движение пленки):

Nuпл = 0,005Reпл0,33Prк0,33 = 0,0129.

25. Коэффициент теплоотдачи при охлаждении конденсата по ур.VII, 59 [3, с.289]:

Вт/м2К.

26. Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений:

?/ = ?ст/ст + 2/rз = 2*10-3/17,5 + 2*11600 = 0,28710-3 м2К/Вт,

где ?ст = (dн – dв)/2 = 210-3м – толщина стенки, ст = 17,5 Вт/мК - коэффициент теплопроводности нержавеющей стали (таблица XXVIII [1, c.529]), 1/rз = 11600 м2К/Вт – тепловая проводимость загрязнений стенки (таблица II.2 [2, c.21]).

27. Уточненный коэффициент теплопередачи для зоны конденсации:

К’конд = 1/(1/ ?в + 1/ ?конд + ?/) = 1(1/3348 + 1/9462 + 0,287*10-3) = 1447 Вт/м2К.

28. Уточненная поверхность конденсации:

F’конд = Qконд/(K’кондtср.конд) = 5947222/(1447*109,7) = 37,5 м2.

29. Уточненный коэффициент теплопередачи для зоны охлаждения конденсата:

К’охл = 1/(1/ ?в + 1/ ?охл + ?/) = 1(1/3348 + 1/472 + 0,287*10-3) = 370 Вт/м2К.

30. Уточненная поверхность охлаждения конденсата:

F’охл = Qохл/(K’охлtср.охл) = 618783/(370*88,4) = 18,9 м2,

31. Полная уточненная поверхность теплопередачи:

F’ = F’конд + F’охл = 37,5 + 18,9 = 56,4 м2.

32. Как видно выбраный нами теплообменник подходит с запасом:

 = (F – F’)/F’ = (73 – 56,4)/56,4 = 29%

- расчет гидравлического сопротивления трубного пространства

33. Коэффициент трения в трубах:

,

где e = /dв = 0,210-3/(2110-3) = 0,0095 – относительная шероховатость труб,  = 0,210-3 м – высота выступов шероховатостей.

34. Скорость воды в штуцерах:

w = 4Gв/(d2ш?в) = 4*104,4/(3,14*0,252*995) = 2,14 м/с,

где dш = 0,25м – диаметр условного прохода штуцеров для трубного пространства (берется из таблицы II.8 [2, с.27]).

35. Гидравлическое сопротивление трубного пространства:



II. Механический расчет.

- расчет толщины обечайки

Из условия коррозионной стойкости по табл.1 приложения [4] выбираем сталь 08Х18Н10Т co скоростью проникновения коррозии П<-3 м/год.

Прибавка на коррозию к расчетной толщине стенки аппарата определяется по формуле (3.I) [4]:

=м,

где ТА = 20 лет – амортизационный срок службы теплообменника.

Поправка С находится в пределах допустимых величин ( м).

Допускаемое напряжение для материала определяется по формуле (3.5) [4]:

,

где - поправочный коэффициент, для не пожароопасных смесей ; - допускаемое нормативное напряжение материала, МПа.

Для стали 08Х18Н10Т по табл.2 приложения [4] при t=142,9єC принимаем =148 ·0,95 = 140,6 МПа:

МПа.

Толщина стенки обечайки определяется по формуле (3.8) [4]:

м,

где Р - рабочее внутреннее давление в аппарате, МПа; Р =Рпгидр п = 49,8110410-6 = 0,39 МПа - давление в аппарате над свободной поверхностью жидкости; Ргидр- гидростатическое давление конденсата; об = 0,95 – коэффициент, учитывающий ослабление обечайки из-за сварного шва (сварной шов стыковой двисторонний).

Так как гидростатическое давление невелико принимаем .

Принимаем по нормальному ряду Sоб = 4 мм.

Проверяем применимость формулы для нахождения Sоб:

(Sоб – С)/D  0,1 (4*10-3 – 2*10-3)/0,8 = 0,0025 < 0,1 – условие выполняется.

- расчет толщины крышек

Толщина стенки эллиптической крышки по формуле (3.11) [4]:

м,

где кр = 1 - для крышек, изготовленных из цельной заготовки.

Во всех случаях толщина крышки должна быть не меньше толщины обечайки, рассчитанной по формуле (3.8) [4]. Принимаем по толщине обечайки Sкр = 4 мм.

Проверяем применимость формулы для нахождения Sкр:

(Sкр – С)/D  0,125 (4*10-3 – 2*10-3)/0,8 = 0,0025 < 0,125 – условие выполняется.

- расчет фланцевых соединений

Подбираем приварные фланцы для крепления крышек к обечайке аппарата по следующим данным: давление в аппарате 0,39 МПа; температура стенок аппарата t = 142,9°С; внутренний диаметр аппарата D=800мм; толщина стенок обечайки Sоб = 4 мм и крышек Sкр = 4 мм.

Выбираем приварные плоские гладкие фланцы (ОСТ 26-426-79) по табл. 7 приложения [4].

Для фланцев, болтов и гаек выбираем материал сталь 08Х18Н10Т по табл. 7 приложения [4].

Наибольшее рабочее давление Pраб в аппарате при выбранных материалах и температуре до 200 0C равно 0,47 МПа при условном давлении Pу = 0,6 МПа (см. табл. 9 приложения [4]).

Размеры фланцев, прокладок выбираем с учетом, что условное давление в аппарате 0,6 МПа.
Размеры фланца при Ру = 0,6 МПа и D = 800 мм (см. табл. 7 приложения [4]) следующие:

ДН = 920 мм;

Д1 = 880 мм;

Д2 = 842 мм;

b = 35 мм;

S = 4 мм;

d0 = 23 мм;

ZМ20 = 32 шт.

Материал прокладки выбираем по табл.3.2 [4]. При наибольшей температуре в аппарате (142,9°С) и наибольшем давлении в аппарате (0,47 МПа) выбираем прокладку из асбестового картона, которая допускает 500°С и давление до 0,6 МПа. По ОСТ 26-430-79 (см. табл.10 приложения [4])

выбираем размеры прокладки:

Д1. = 865 мм;

Д2 = 835 мм (исполнение 2);

а = 2,0 мм;

m = 0,158 кг.

- расчет трубной решетки

Возьмем II тип конструкции трубных решеток.

Проверяем условие устойчивости труб при осевом сжатии:

0,785Pтр(D2сп – d2вn)  10Em150Jn/l2;

0,785*0,11*(0,852-0,0212*465)  10*199*103*9,6*10-9*465/22;

0,044 < 2,223 – условие выполняется.

где Pтр = pтр+ p0 = 0,008+0,1=0,11МПа – давление в трубном пространстве, Em150 = 199103МПа – модуль упругости стали при 150єС (таблица 3.1 [4]), J = 0,049(d2н – d2в) = 9,610-9м4 – момент инерции поперечного сечения трубы.

Минимальный шаг между трубами [2, с.80]:

t = 1,3dн = 1,3*0,025 = 0,033 м

Максимальное среднее арифметическое сторон прямоугольника в решетке, образованного центрами двух смежных труб в крайнем ряду и контуром решетки по ее расчетному диаметру:

lt  1,3t = 0,042 м

Толщина трубной решетки:

м,

Принимаем h = h1 = 12 мм.

Для крепления труб в трубных решетках мы применяем сварку, поэтому толщина трубных решеток определяется только условиями прочности.

- расчет фланцевых болтов

Проверяем прочность болтов М20 (32 штуки) из стали 08Х18Н10Т.

Податливость болта:

,

где lБ,= 2b+2а+h1 =0,092 м - расчетная длина болта (см. табл.8 приложения [4]); – площадь поперечного сечения болта; ЕБ = 250·103 МПа – модуль упругости болта табл. [4].

Податливость части прокладки, приходящейся на один болт:

,

где ЕП = МПа – модуль упругости прокладки табл. [4]; - площадь прокладки, приходящейся на один болт; Z – количество болтов.

Коэффициент основной нагрузки




Усилие от давления в аппарате, приходящееся на один болт,

,

где - средний диаметр прокладки.

Суммарное усилие на болт




где КСТ- коэффициент затяжки запаса против раскрытия стыка, принят равным 1,3.

Допускаемая сила [F] для болта М20 из стали 08Х18Н10Т при 2000С – 10 кН (см.табл. 12 приложения [1]):

Условие прочности для выбранных болтов выполняется: 9629H < 10000H.

- расчет компенсатора

Сила взаимодействия между корпусом и трубами за счет температурных напряжений:

,

где ст = 16,610-6 1/єС – коэффициент линейного расширения стали Х18Н10Т ([2, с. 81]), tк = 0,5*(t+tнас)=116єС – средняя температура кожуха, tтр = 0,5*(t+t)=33єС – средняя температура труб, Eк150 = Eтр20 = 200103МПа – модули упругости стали при 150 и 20єС (таблица 3.1 [4]), Fк = ((D+2Sоб)2 – D2)/4 = 0,01 м2 – площадь сечения кожуха, Fтр = (d2н – d2в)n/4 = 0,067 м2 – площадь сечения труб.

Сила от давления среды:

P = 0,785((D2 – d2нn)PП + d2вnPТР) = 0,785*((0,82 – 0,0252*465)*0,39 + 0,0212*465*0,11) = 0,13МН.

Проверяем условие обязательного применения компенсатора:

; ;

- условие не выполняется;

; ;

- условие выполняется.

Так как одно из условий не выполняется, мы вынуждены применить компенсатор.

Расчетный диаметр линзового компенсатора:

м,

где  = T/nTT = 220/1,5*0,9 = 132МПа – допускаемое напряжение при растяжении стали Х18Н10Т, nT = 1,5 – запас прочности по пределу текучести (по таблице 14.4 [5, с. 180]), T = 0,9 – поправочный коэффициент (по таблице 14.2 [5, с. 179]).

По таблице 24.2 [5, с. 320] округляем D’ до ближайшего большего размера Dком:

Dком = 1,1 м.

Расчетная толщина линз:

s’= DкомPП/(2) + С = 1,1*0,39/(2*132) = 0,0036 м

По таблице 24.2 [5, с. 320] округляем s’ до ближайшего большего размера s:

s = 0,004 м.

Реакция компенсатора по его оси:

,

где  = D/Dком = 0,73 – коэффициент, k = 0,66 – коэффициент, определяемый по графику фиг. 24.2 [5, c. 320].

Деформация одной линзы компенсатора:

.

Расчетное число линз:




Список литературы.

1. Павлов К.Ф. и др. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. Л.: Химия, 1987 – 576 с.;

2. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. М.: Химия, 1991 – 496 с.;

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971 – 783 с.;

4. Расчет аппарата, нагруженного внутренним и наружным давле­нием: Методические указания к выполнению курсового проекта по прикладной механике для студ. спец. 25.16 и 26.03.04 / Сост. Б.B. Фофанов, В.В. Воробьева; Перм. гос. тех. ун-т. Пермь, 1993. 80 с.;

5. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. М.-Л.: Машгиз, 1963 – 470 с.

6. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник, том 2.





Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации