Размещено на http://www.allbest.ru/
Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт
(Технический Университет)
Кафедра машин и аппаратов химических производств
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по дисциплине
«Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли»
на тему: «Теплообменный аппарат»
Санкт-Петербург 2011
Введение
Теплообменниками называются аппараты, в которых происходит теплообмен, между рабочими средами не зависимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, концентраторы, пастеризаторы, испарители, и др.).
Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно, различаются теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.
Классификация теплообменников возможна по различным признакам.
По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники - рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева - твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.
По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.
В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:
1) жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;
2) парожидкостные - при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);
3) газожидкостные - при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха) и др.
По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.
В теплообменниках периодического действия тепловой обработке подвергается определенная порция (загрузка) продукта.
Вследствие изменения свойств продукта и его количества параметры процесса непрерывно варьируют в рабочем объеме аппарата во времени.
При непрерывном процессе параметры его также изменяются, но вдоль проточной части аппарата, оставаясь постоянными во времени в данном сечении потока. Непрерывный процесс характеризуется постоянством теплового режима и расхода рабочих сред, протекающих через теплообменник.
В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар. В смесительных аппаратах пар обычно барботируют в жидкость (впускают под уровень жидкости), при этом конденсат пара смешивается с продуктом, что не всегда допустимо. В поверхностных аппаратах пар конденсируется на поверхности нагрева и конденсат удаляется отдельно от продукта с помощью водоотводчиков. Водяной пар как теплоноситель обладает множеством преимуществ: легкостью транспортирования по трубам и регулирования температуры, высокой интенсивностью теплоотдачи и др. Применение пара особенно выгодно при использовании принципа многократного испарения, когда выпариваемая из продукта вода направляется в виде греющего пара в другие выпарные аппараты и подогреватели.
Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей (продуктов), которые по ходу технологического процесса нагреваются до высокой температуры. В сравнении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отличается переменной, снижающейся температурой теплоносителя. Однако регулирование процесса и транспорт жидкостей так же удобны, как и при паровом обогреве.
Общим недостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления с повышением температуры. В условиях технологической аппаратуры пищевых производств при паровом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены 150-160 ˚С, что соответствует давлению (5-7) 105 Па.
В отдельных случаях (в консервной промышленности) применяется масляный обогрев, который позволяет при атмосферном давлении достигнуть температур до 200°С.
Широко применяется обогрев горячими газами и воздухом (до 300—1000°С) в печах, сушильных установках. Газовый обогрев отличается рядом недостатков: трудностью регулирования и транспортирования теплоносителя, малой интенсивностью теплообмена, загрязнением поверхности аппаратов (при использовании топочных газов) и др. Однако в ряде случаев он является единственно возможным (например, в воздушных сушилках).
В холодильной технике используется ряд хладагентов: воздух, вода, рассолы, аммиак, углекислота, фреон и др.
При любом использовании теплоносителей и хладагентов тепловые и массообменные процессы подчинены основному технологическому процессу производства, ради которого создаются теплообменные аппараты и установки. Поэтому решение задач оптимизации теплообмена подчинено условиям рационального технологического процесса.
Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники разнообразных конструкций.
теплообменный аппарат фланцевый компенсатор опора
1. Описание конструкции
Рисунок 1- Эскиз теплообменного аппарата типа ХНКГ
1 – распределительная камера; 2 – штуцер для подвода хладагента; 3 – штуцер для подвода охлаждаемого материала; 4 – корпус; 5 – температурный компенсатор; 6 – крышка; 7 – штуцер для отвода хладагента; 8 – опора; 9 – трубный пучок; 10 – штуцер для отвода
Данный теплообменный аппарат состоит из распределительной камеры 1, в которую вварены два штуцера: в штуцер 2 поступает рабочая среда - керосин), который, проходя по трубам в трубном пучке 9, выводится из аппарата через штуцер 7. На корпусе аппарата также размещено два штуцера. В штуцер 3 поступает хладагент – 20% раствор хлористого натрия (NaCl), и после охлаждения выходит из аппарата через штуцер 10. В корпусе аппарата находится трубный пучок, который жестко соединён с корпусом, а так как различные части аппарата во время эксплуатации имеют неодинаковые температуры, вызывающие дополнительные температурные напряжения, то в данном теплообменном аппарате предусмотрен температурный компенсатор 5.
Критерием для определения габаритных размеров выбираем давление в межтрубном пространстве и площадь поверхности теплообмена.
В соответствии с [2, с. 8] и в соответствии с [2, с. 15] получаем:
Внутренний диаметр оболочки: м.
Длина труб трубной решетки: м.
Общая длина аппарата: м.
Количество ходов труб: 2.
Площадь поверхности теплообмена: 113м2
2. Расчетная часть
2.1 Выбор материала для корпуса, крышек, труб и трубных решеток
Обрабатываемый материал – керосин
Начальная температура (на входе в аппарат): 30 0С
Конечная температура (на выходе из аппарата): 5 0С
Хладагент – 20% раствор хлористого натрия (NaCl)
Температура начальная (на входе в аппарат): -14 0С
Температура конечная (на выходе из аппарата): 6 0С
В соответствии с [2,c. 16]
Рекомендуется использовать двухслойную сталь ВСт3сп5+12Х18Н10Т по ГОСТ 10885-75 (Сталь листовая горячекатаная двухслойная коррозионно- стойкая), для кожуха.
Для труб и трубных решеток сталь 12Х18Н10Т по ГОСТ 9941-81(Трубы бесшовные холодно- и теплодеформированные из коррозионно-стойкой стали).
В соответствии с [1, c. 712]
При данной температуре 300С сталь 12Х18Н10Т в среде керосин имеет скорость коррозии менее 0,1 мм/год, что удовлетворяет наши условия.
В соответствии с [1, c. 529]
При данной температуре -14 0С сталь 12Х18Н10Т в среде 20% раствор хлористого натрия (NaCl) имеет скорость коррозии менее 0,1 мм/год, что так же удовлетворяет условия.
Итак, принимаем в качестве материала для корпуса, крышек, труб и трубных решеток сталь 12Х18Н10Т, так как она имеет относительно малую скорость коррозии в данных средах.
2.2 Расчет толщины стенки аппарата.
2.2.1 Расчет толщины стенки цилиндрической оболочки (корпуса
аппарата), нагруженной внутренним давлением p = 0.2 МПа.
Расчетную температуру определяют на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний.
За расчетную температуру стенки принимается наибольшее значение температуры стенки. При температуре ниже 20°C за расчетную температуру принимают температуру 20°C.
где: – наибольшая температура среды.
Допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках, для рабочего состояния определяется из выражения:
где: - нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре.
- поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки.
в соответствии с [3, c. 11] принимаем МПа
т.к. листовой прокат, то значение
МПа
Расчетное давление определяется по формуле:
где: – гидростатическое давление среды, определяемое по формуле:
где: равен внутреннему диаметру.
– плотность среды.
в соответствии с [1, c. 768] принимаем кг/м3
значение h=0,6 м
МПа
МПа
- коэффициент прочности сварных соединений.
Значение определяется в зависимости от конструкции и способа соединения.
Принято, что швы с двусторонним сплошным проваром выполняются автоматической сваркой, получаем значение .
Прибавка к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле:
где: – прибавка на коррозию, исходя из условий разъедания материала стенки средой и срока службы (15 лет), определяемая по формуле:
где: – срок службы аппарата.
– проницаемость среды в материал в соответствии с [1, c. 712]
мм/год
принимаем лет
значение мм/год.
м
– прибавка на эрозию.
– прибавка на минусовой допуск по толщине листа.
принимаем
значение м исходя из ГОСТ 3680-57 (Сталь прокатная
тонколистовая)
Суммарная прибавка составит:
м
Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки определяется по формуле:
м
Фактическая толщина стенки цилиндрической обечайки определяется по формуле:
м
Округляем до значения из стандартного ряда:
м
Допускаемое давление в рабочем состоянии:
МПа > 0,2 МПа
Условие прочности выполнено.
Допускаемое давление при испытаниях:
где: – допускаемое напряжение при испытаниях, определяемое из
соотношения:
где: – предел текучести.
примем МПа, в соответствии с [3, c. 282]
МПа
МПа
2.2.2 Расчет толщины стенки цилиндрической оболочки
(распределительной камеры), нагруженной внутренним давлением
p = 0,6 МПа.
Расчетную температуру определяют на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний.
За расчетную температуру стенки принимается наибольшее значение температуры стенки. При температуре ниже 20°C за расчетную температуру принимают температуру 20°C.
где: – наибольшая температура среды.
Допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках, для рабочего состояния определяется из выражения:
где: – нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре.
– поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки.
принимаем МПа ,в соответствии с [3, c. 11]
т.к. листовой прокат, то значение
МПа
Расчетное давление определяется по формуле:
,
где: – гидростатическое давление среды, определяемое по формуле:
,
где: в соответствии с рис. 2 равен внутреннему диаметру.
– плотность среды
в соответствии с [1, c. 768] кг/м3
МПа
МПа
- коэффициент прочности сварных соединений.
Значение определяется в зависимости от конструкции и способа соединения.
Принято, что швы с двусторонним сплошным проваром выполняются автоматической сваркой, получаем значение .
Прибавка к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле:
где: – прибавка на коррозию, исходя из условий разъедания материала
стенки средой и срока службы (15 лет), определяемая по формуле:
где: – срок службы аппарата.
– проницаемость среды в материал мм/год по [1, c. 712]
принимаем лет
значение мм/год.
м
– прибавка на эрозию.
– прибавка на минусовой допуск по толщине листа.
принимаем
значение м исходя из ГОСТ 3680-57 (Сталь прокатная
тонколистовая)
Суммарная прибавка составит:
м
Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки определяется по формуле:
м
Фактическая толщина стенки цилиндрической обечайки определяется по формуле:
м
Округляем до значения из стандартного ряда:
м
Допускаемое давление в рабочем состоянии:
МПа > 0.6 МПа
Условие прочности выполнено.
Допускаемое давление при испытаниях:
где: – допускаемое напряжение при испытаниях, определяемое из
соотношения:
где: – предел текучести.
в соответствии с [3, c. 282] примем МПа
МПа
МПа
2.2.3 Расчет толщины стенки эллиптической крышки, нагруженной
внутренним давлением p = 0,6 МПа.
Рисунок 3 - Эллиптическое днище
Расчетную температуру определяют на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний.
За расчетную температуру стенки принимается наибольшее значение температуры стенки. При температуре ниже 20°C за расчетную температуру принимают температуру 20°C.
Допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках, для рабочего состояния определяется из выражения:
МПа
Расчетное давление определяется по формуле:
где: – гидростатическое давление среды, определяемое по формуле:
где: в соответствии с рис. 3 равен внутреннему диаметру.
– керосина.
кг/м3
МПа
МПа
- коэффициент прочности сварных соединений.
Значение определяется в зависимости от конструкции и способа соединения.
Принято, что швы с двусторонним сплошным проваром выполняются автоматической сваркой, получаем значение .
Прибавка к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле:
где: – прибавка на коррозию, исходя из условий разъедания материала стенки средой и срока службы (15 лет), определяемая по формуле:
где: – срок службы аппарата.
– проницаемость среды в материал мм/год.
принимаем лет
значение мм/год.
м
– прибавка на эрозию.
– прибавка на минусовой допуск по толщине листа.
принимаем
значение м исходя из ГОСТ 3680-57 (Сталь прокатная
тонколистовая)
Суммарная прибавка составит:
м
Расчетная толщина стенки эллиптического днища определяется по формуле:
м
Фактическая толщина стенки эллиптического днища определяется по формуле:
м
Округляем до значения из стандартного ряда:
м
Допускаемое давление в рабочем состоянии:
МПа > 0,6 МПа
Условие прочности выполнено.
Допускаемое давление при испытаниях:
где: – допускаемое напряжение при испытаниях, определяемое из
соотношения:
где: – предел текучести.
в соответствии с [3, c. 282] примем МПа
МПа
МПа