· наличие двойных трубных решеток, их толщины “Н1” и “Н2” и расстояние “B” между трубными решетками (см. рис.9);
· материал трубы;
· наружный диаметр трубы "Dн" (см. рис.6);
· толщина стенки трубы "S" (см. рис.6);
· высота выступания труб "h" над плоскостью трубной решетки (см. рис.6);
· глубина развальцовки труб "L" (см. рис.6);
· наличие отбуртовки конца трубы (см. рис.8);
· наличие сварки в соединении трубы с трубной решеткой (см. рис.7)
2 Расчетно-конструкторская часть.
2.1 Тепловой расчет аппарата.
Исходные данные. Проектируемый кожухотрубный теплообменник предназначен для пастеризации продукта от начальной (на входе в аппарат) температуры t1=12 0С, до конечной (на выходе из аппарата) t2=70 0С. Производительность аппарата G=2,8. Продукт попадает в трубное пространство принудительно с помощью насоса и двигается по трубам со скоростью w=2,0 . Греющий пар подводится в меж трубное пространство с температурой tп=140 0С. Теплообменные трубы Æ30´2,5 мм (внешний диаметр d=30 мм, толщина стенки dст=2,5 мм), длина труб в пучке lТ=2,5 г. Материал труб — медь, толщина слоя загрязнения на поверхности трубок s=0,001 г, абсолютная шероховатость внутренней стенки трубки D=0,01. Коэффициент полезного действия (к.п.д) насоса =0,8.
Средняя разность температур теплоносителя и продукта , 0С (по формуле (1.16)):
,
Dtб=tп-t1=140-12=128 0С, (2.1)
Dtм=tп-t2=140-70=70 0С. (2.2)
Так как =1,829<2, то средний температурный напор можно находить с определенной точностью как среднеарифметическую разность (соответственно формуле (1.17)):
0С.
Средняя температура продукта tср, 0С:
tср=tп-Dtср=140-99=41 0С. (2.3)
Разность температур теплоносителя и стенки Dt1, 0С:
Dt1=(R1/R)Dtср=(0,6)×99=59,4 0С (2.4) [1] Разность температур стенки и продукта Dt2, 0С:
0С. (2.5)
Температура стенки со стороны теплоносителя Dtст1, 0С:
tст1=tп-Dt1=140-59,4=80,6 0С. (2.6)
Температура стенки со стороны продукта Dtст2, 0С:
tст2=tср+Dt2=41+33,66=74,66 0С. (2.7)
Температура пленки конденсата теплоносителя tпл, 0С:
tпл=0,5(tп+tст1)=0,5(140+80,6) =110,3 0С. (2.8)
Теплофизические свойства пленки конденсата (при температуре пленки tпл=110,3 0С) (соответственно [6]): динамический коэффициент вязкости жидкости mпл=0,228×10-3 (Па×с), удельная теплоемкость cпл=4,2×103 , коэффициент теплопроводности lпл=0,682 и плотность rпл=950 . Удельная теплота конденсации пара (при температуре tп=140 0С) r=2150×103 (соответственно [6]).
Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенкам теплообменных трубок a1, :
(2.9)
.
Теплофизические свойства продукта, который нагревается (при температуре tср=41 0С) (соответственно [6]): динамический коэффициент вязкости mпр=0,719×10-3 (Па×с), коэффициент объемного расширения bпр=0,397×10-3 , удельная теплоемкость cпр=4159 , коэффициент теплопроводности lпр=0,634 и плотность rпр=991 .
Теплофизические свойства пристеночного слоя продукта (при температуре tст2=74,66 0С) (соответственно [6]): коэффициент динамической вязкости mст=0,4×10-3 (Па×с), удельная теплоемкость cст=4225 , коэффициент теплопроводности lст=0,669 и плотность rст=975 .
Критерий Рейнольдса (Re) для потока продукта:
(2.10)
Критерий Прандтля для потока продукта (Pr) и для пристеночного слоя продукта (Prст):
, (2.11)
. (2.12)
Критерий Нуссельта (Nu) (для случая развитого турбулентного движения жидкостей в трубах и каналах (Re>10000) по формуле (1.8)):
Nu=
Nu= =355.
Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменных труб к продукту a2, :
(2.13)
Термическое сопротивление стенки ( без учета термического сопротивления загрязнений) Rст, :
Rст= ,[2] (2.14)
Общий коэффициент теплопередачи между средами К, (по формуле (1.7)):
.
Тепловая нагрузка аппарата (количество тепла, которое передается через поверхность теплообмена от теплоносителя до продукта) Q, (Вт) (по формуле (1.4)):
Q=Gcпр(t2-t1)=2,8×4159(70-12)=675422 Вт.
Необходимая поверхность теплообмена F, (м2) (по формуле (1.1)):
(м2).
Затрата теплоносителя (греющего пара) Gгр, :
. (2.15) [3]
2.2 Конструктивный расчет аппарата
Площадь сечения всего потока продукта (площадь сечения пучка труб) f, (м2):
(м2), (2.16)
Количество труб n1 в трубном пучке:
(2.17)
принимается n1= 3 теплообменных трубы в каждом ходе по трубному пространству.
Уточнённое значение скорости движения продукта w, :
. (2.18)
Расчетная длина одной трубки в трубном пучке L, (м):
(м). (2.19)
Количество ходов теплообменника z:
, (2.20)
принимается z=4 хода по трубному пространству кожухотрубного теплообменника.
Необходимое количество теплообменных труб в трубной решетке n:
n=zn1=4×3=12 труб. (2.21)
Диаметр трубной решетки Dр, (мм):
(мм), (2.22) [4]
Внутренний диаметр кожуха теплообменника D, (мм):
D=t(b-1)+4d=59,4(5-1)+4×30=358 (мм), (2.23)
принимается для изготовления кожуха теплообменника труба Æ360х5 мм.
Живое сечение межтрубного пространства fмт, (м2):
fмт=0,785((D-2s) 2-nd 2)=
=0,785((0,360-2×0,005)2-12×0,032)=87,68×10-3 (м2). (2.24)
По уравнению объемных затрат V, :
, (2.25)
определяются диаметры патрубков d, м, для рабочих сред:
. (2.26)
Диаметр патрубка для входа пара в аппарат, dп, (м):
(м).
Диаметр патрубка для выхода конденсата пара, dк, (м):
(м).
Диаметр патрубка для входа продукта в аппарат, dвх, (м):
(м).
Диаметр патрубка для выхода продукта из аппарата, dвих, (м):
(м).
2.3 Гидравлический расчет аппарата
Полное гидравлическое сопротивление теплообменного аппарата, DР (Па):
(2.27) [5]
Для изотермического турбулентного движения в гидравлично - шероховатых трубах (соответственно /6/):
(2.28) [6]
Сумма коэффициентов местных сопротивлений xг в аппарате:
, (2.29) [7]
(Па)
Мощность привода насоса N, (Вт), необходимая для перемещения продукта по трубному пространству теплообменного аппарата:
(Вт) (2.30) [8]
V= . (2.31)
N= (Вт).
2.4 Расчеты на прочность
Допустимые напряжения при расчете по предельным нагрузкам емкостей и аппаратов, которые работают при статических одноразовых нагрузках, определяются согласно ГОСТ 14249-89.
Расчет на прочность гладкой цилиндрической обечайки кожуха, нагруженной внутренним избыточным давлением, проводится согласно ГОСТ 14249-89.
Рисунок 11 –
Расчетная схема обечайки кожуха теплообменника
Исполнительная толщина стенки обечайки s, (мм):
s³sр+с (2.32) [9]
(мм), (2.33) [10]
с=с1+с2+с3 (2.34) [11]
где с1=Пt=0,1×15=1,5 (мм), (2.35) [12]
с=1,5+0+0=1,5 (мм),
Исполнительная толщина стенки обечайки s, (мм):
s³sр+с=0,41+1,5=1,91 (мм).
Соответственно приведенным в ГСТУ 3-17-191-2000 значений минимальным толщинам стенок обечаек и днищ принимается s=5,0 мм.
Внутреннее избыточное давление, которое допускается [р], (МПа):
(МПа) (2.36)
Условие применения расчетных формул (для обечаек и труб при D (200 мм):
, (2.37)
условие выполняется.
3 Расчеты и выбор вспомогательного оборудования.
3.1 Выбор насоса
В соответствии с технологической схемой участка пастеризации продукта для перекачивания продукта выбирается шесть центробежных насосов марки Х20/18 с параметрами: подача Q= 5,5×10-3 , напор Н= 10,5 (м), частота вращения вала n= 48,3 (с-1), коэффициент полезного действия hн=0,6 , приводной электродвигатель типа АО2-31-2 мощностью Nн=3квт.
