всякое / taranova то и расчет

– Для смешанного или перекрестного тока при проведении расчетов необходимо учесть температурную поправку (ε t); эту величину находят графически (см.рис. IV.4 в приложении).

1.3.2.Проведение теплового расчета

1.Ориентировочный тепловой расчет.

Цель данного вида расчета – определить ориентировочную поверхность теплообмена и предварительно выбрать аппарат. Расчет проводят в следующей последовательности:

– Находят тепловой поток с учетом типа протекающего в аппарате процесса. Если агрегатное состояние потоков в процессе не меняется, используют формулу

а при изменении агрегатного состояния – формулы

где G – массовый расход потока, кг/с.

–Предварительно принимают коэффициент теплопередачи (Кор), учитывая тип аппарата и вид теплообмена (табл. IV.1 в приложении).

–Находят ориентировочную поверхность теплообмена, используя основное уравнение теплопередачи

41

– Предварительно принимают аппарат с поверхностью теплообмена больше расчетной и его основные характеристики. При этом необходимо учесть возможность выбора другого теплообменника (по результатам уточненного расчета) без изменения параметров аппарата, определяющих режимы движения и, следовательно, эффективность процесса теплообмена.

Для выбора аппарата и определения его основных характеристик используют таблицы, приведенные в соответствующих разделах пособия; используют также каталоги и справочники, например [5; 7; 18; 21; 24]. На стадии курсового и дипломного проектирования целесообразно использовать также каталоги заводов-изготовителей теплообменного оборудования [26; 27; 28; 29; 30].

– Если в аппарате одновременно протекают два процесса (нагревание-испарение, конденсация-охлаждение и т.п), то тепловые расчеты проводят по зонам аппарата; общая поверхность теплообмена определяется при этом путем суммирования поверхностей по зонам аппарата, например:

F =F1 + F2

где F1 и F2 – поверхности теплообмена, определенные по результатам ориентировочного расчета аппарата в соответствующих зонах.

2. Уточненный тепловой расчет Расчет проводят с целью уточнения поверхности теплообмена путем

определения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи; при этом реализуют следующие цепочки расчета:

– при осуществлении процесса, протекающего без изменения агрегатного состояния рабочей среды:

V→ w → Re→ Nu → α→ K → F

– при осуществлении процессов испарения или конденсации:

α 1, α2 → q → Q → F

где V и w – объемные расходы и скорости движения потоков; Re и Nu – критерии Рейнольдса и Нуссельта;

α и K - коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи; q - плотность теплового потока.

42

–Выбор аппарата по результатам уточненного расчета, проводят с учетом ориентировочно выбранного аппарата без изменения размеров теплообменника, влияющих на режимы движения. Если это не удается, необходимо провести уточняющий расчет для вновь выбранного теплообменника (по схеме уточненного расчета).

–Уточненный расчет аппарата, где одновременно протекают два и более процесса, проводят так же, как и ориентировочный расчет по зонам, суммируя полученную при этом поверхность теплообмена.

1.3.3. Проведение гидравлического расчета

Гидравлический расчет любого теплообменника проводится с целью определения достаточности давления, создаваемого насосами (компрессорами) для преодоления сопротивлений, возникающих при движении потока через аппарат. Расчетные значения гидравлических сопротивлений при этом не должны превышать допускаемых (∆Р <∆Рдоп).

Вучебных расчетах допускаемую потерю давления можно задавать.

–Гидравлические сопротивления рассчитывают в зависимости от типа теплообменника, учитывая потери на трение и на преодоление местных сопротивлений по общим формулам вида (1.13) и (1.14); см.п.1.1.

–В рамках гидравлического расчета определяют также диаметры присоединительных штуцеров, ориентируясь на рекомендуемые скорости движения потоков с учетом их агрегатного состояния (см. табл. IV. 6 в приложении). Если принимают стандартный для данной разновидности аппарата диаметр штуцера, необходимо проверить скорости потока в нем.

1.3.4. Проведение механического расчета

Механический расчет теплообменника проводят с целью определения возможности его использования при заданных параметрах работы (температуры, давления) с учетом свойств теплообменивающихся потоков. Основными элементами расчета применительно к изучаемой дисциплине и рассматриваемой группе аппаратов являются: выбор материала; расчет толщины стенки элементов корпуса аппарата; расчет опор.

1. При выборе материалов для изготовления элементов конструкции учитывают параметры работы аппарата (температура, давление), свойства потоков (агрессивность и т.п.) и температуры окружающего воздуха в месте установки объекта. Для изготовления элементов теплообменников используют углеродистые и легированные

43

стали, медь и ее сплавы (латунь), сплавы алюминия. Условия применимости сталей и сплавов и их основные характеристики (предел прочности – σВ, предел текучести – σТ и др.) приведены в многочисленной литературе [4; 8; 10; 12; 19]. В настоящем пособии свойства сталей и сплавов, используемых для изготовления теплообменного оборудования, приведены в приложении III.

2. Расчет толщины стенки корпуса аппарата (S) проводят с учетом свойств материала (допускаемого напряжения – [σ]), расчетного давления (PР) и диаметра аппарата (DВ).

Расчетную толщину стенки корпуса теплообменника (тонкостенного цилиндра) определяют по формуле

Исполнительную толщину стенки принимают с учетом прибавки на коррозию (С), округляя до ближайшего большего значения по сортаменту. Рекомендуемый сортамент для листовой стали обыкновенного качества: от 1 до 6 мм через 1мм, от 6 до 50 мм через 2 мм, далее - через 5мм.

– Расчет допускаемого напряжения [σ] проводят по формуле

где η - поправочный коэффициент; принимают с учетом типа среды– для взрывопожароопасных и токсичных сред – η=0,9; в других случаях

η=1;

[σ]* - нормативное допускаемое напряжение для материала корпуса при расчетной температуре, (МПа).

Значения [σ]* принимают по табл.III.6 в приложении или определяют с учетом свойств материала (σВ, σТ) при расчетной температуре, принимая наименьшее из значений, определенных по пределам прочности и текучести.

– В качестве расчетного давления принимают большее из значений:

где P – рабочее давление, МПа (в расчетах используют избыточное давление).

3. Расчет толщины стенки днищ проводят с учетом формы днища (эллиптическое днище или плоская крышка). Расчетные формулы приведены в соответствующих пунктах пособия.

44

4.Расчет опор теплообменных аппаратов проводят с учетом их

исполнения, а также принятого типа опор и их количества. Для вертикальных теплообменников – это, как правило, лапы (рис. 1.13); для горизонтальных кожухотрубчатых аппаратов – седловые опоры (рис. 1.14); используют также стойки. Характеристики опор приведены в [4; 8; 10; 12]. Порядок расчета и расчетные формулы применительно к рассматриваемым аппаратам приведены в соответствующих пунктах пособия.

5. Расчет опор производят с учетом максимального веса аппарата, определяемым в зависимости от его разновидности по общим формулам вида:

где Gмет – вес металла аппарата (корпуса, внутренних устройств, штуцеров и люков);

Gиз, Gвод – соответственно вес изоляции (при ее наличии) и вес воды при гидроиспытании.

Рис. 1.13. Опоры (лапы) Рис. 1.14. Седловая опора

6. Проверка прочности фундамента.

Напряжения, возникающие на опорной поверхности (σ) не должны превышать допускаемых напряжений для материала фундамента - [σ]. Значения σ определяют с учетом максимального веса теплообменника по

где Fоп - площадь опоры.

Значения [σ] для некоторых материалов приведены в табл. III.9. приложения. В связи с небольшим весом теплообменных аппаратов в качестве материала фундамента наиболее часто принимают бетон марки

100.

45

2.МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Вразделе рассмотрены методики проведения теплового, гидравлического и механического расчета теплообменных аппаратов следующих типов: кожухотрубчатых (теплообменники и испарители); пластинчатых и спиральных; аппаратов воздушного охлаждения. Примеры расчета аппаратов приведены в [5; 11; 12; 13; 22; 23].

2.1.Порядок расчета кожухотрубчатых теплообменников

2.1.1.Порядок теплового расчета

Цель теплового расчета теплообменника - определить требуемую поверхность теплообмена и подобрать стандартизованный аппарат в соответствии с ГОСТ 9929. Для достижения цели выполняют:

- предварительный (ориентировочный) тепловой расчет, в рамках которого определяют ориентировочную поверхность теплообмена и предварительно принимают аппарат;

- уточненный тепловой расчет; проводится с целью уточнения требуемой поверхности теплообмена путем расчета коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи с учетом режимов движения потоков в предварительно выбранном аппарате.

Тепловой расчет проводят в следующей последовательности:

1.В зависимости от исходных данных предварительно принимают тип аппарата, вариант подачи рабочей среды (в трубное или межтрубное пространство). Принимают теплоноситель или хладагент и его начальную и конечную температуру с учетом рекомендаций п.1.3. В качестве теплоносителя используют чаще всего водяной пар, в качестве хладагента – воду.

2.Определяют теплофизические свойства рабочей среды –

плотность ρ, вязкость µ, удельная теплоемкость λ, теплопроводность cр при средней температуре (см. приложение I). Среднюю температуру рассчитывают, используя общие формулы вида (1.23)

–в случае если t2 / t1 < 2:

где t 1 , t 2 – начальная и конечная температура рабочей среды.

46

– в случае если t2 / t 1 > 2:

где θср – средняя температура теплоносителя или хладагента; определяется с учетом его начальной (θ1) и конечной (θ2) температуры как: θср = (θ1 + θ2)/2;

∆tср – средняя разность температур между теплоносителем и рабочей средой (средний температурный напор), °С.

Для расчетов ∆tср предварительно составляют температурную схему (см. п.1.3) и находят разность температур между потоками на концах аппарата, определяя наибольшее и наименьшее значение параметра (∆tб и ∆tм). Расчеты ведут по формулам вида (1.25).

Среднюю разность температур при ∆tб /∆t м > 2 определяют по формуле

где ∆tб и ∆tм – большая и меньшая разность температур теплоносителей соответственно.

Если ∆t б /∆tм < 2, среднюю разность температур можно найти как:

3. Производят предварительный тепловой расчет теплообменника в следующей последовательности.

–Предварительно принимают коэффициент теплопередачи Кор (Вт/м2·К) по табл. IV.1 в приложении.

–Находят тепловой поток в аппарате (Вт), используя формулу

(1.26):

Q = G с (t2 −t1 )

где G – производительность теплообменника, кг/с;

с – теплоемкость рабочей среды при средней температуре, Дж/кг·К; t1, t2 – начальная и конечная температура рабочей среды, °С.

47

– Определяют ориентировочную поверхность теплообмена по формуле (1.28)

где F – площадь теплопередающей поверхности, м2; Q – тепловой поток в аппарате, Вт;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/м2·К;

∆tср – средняя разность температур между теплоносителями, °С.

– Производят предварительный выбор теплообменника по табл. 2.1, принимая его основные параметры: площадь поверхности теплообмена (F), диаметр кожуха (D), диаметр труб (dН), число ходов по трубам (z), длину труб ( l ). При этом поверхность теплообмена аппарата должна быть больше расчетной.

4. Проводят уточненный тепловой расчет при различных вариантах подачи рабочей среды.

Расчет сводится к определению коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи и уточнению поверхности теплообмена. При этом реализуется следующая цепочка расчетов:

V→ w → Re→ Nu → α→ K → F

–Коэффициент теплопередачи рассчитывают по уравнению (1.20):

где α1, α2 – коэффициенты теплоотдачи теплоносителя и рабочей среды, Вт/м2·К;

rз1, rз2 – термические сопротивления загрязнений со стороны теплообменивающихся потоков, м2·К/Вт (см. табл. IV. 5 в приложении);

λст – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/м·К (см. табл. III.4 в приложении);

δст – толщина стенки трубы, м (для труб, выполненных из углеродистой стали δст = 0,002м).

Коэффициент теплоотдачи теплоносителя или хладагента (α2) для расчетов по формуле (2.7) выбирается ориентировочно по табл. IV.2 в приложении.

48

Таблица 2.1 Площадь поверхности теплообмена в аппаратах типов ТН и ТК

Примечание: D, dн – диаметры кожуха и труб; z – число ходов, n – число труб.

49

Коэффициент теплоотдачи для рабочей среды (α1) находят по формуле вида (1.8):

α = Nud λ

где d – наружный или внутренний диаметр труб при движении рабочей среды по межтрубному и трубному пространству соответственно, м; λ – коэффициент теплопроводности рабочей среды при средней температуре, Вт/м·К;

Nu – критерий Нуссельта, рассчитываемый в зависимости от режима движения.

При движении жидкости по трубам критерий Nu рассчитывают следующим образом:

– при турбулентном режиме (Re > 104)

– при переходном (2300 < Re < 104) и ламинарном (Re < 2300) режимах критерий Nu находят графически (см. рис. IV.1, IV.2 в приложении).

При этом критерий Рейнольдса (Re) вычисляют по формуле

ωтр – скорость рабочей среды в трубах, м/с; определяют, как:

где fтр - площадь проходного сечения трубного пространства выбранного аппарата (см. табл. 2.2);

V - объемный расход рабочей среды, м3/с; находят как: V=G/ρ.

Критерий Прандтля (Pr) для расчета критерия Нуссельта вычисляют по формуле

50