5.7 Розрахунок зусиль, які виникають в кожусі і трубах теплообмінника, що викликані різницею температур.

Мета розрахунку: розрахувати зусилля в кожусі і трубах, викликані різницею температур, зробити перевірку елементів трубчатки на міцність і стійкість.

Розрахункова схема зусиль в кожусі і трубах теплообмінника зображена на рисунку 5.7.

Рисунок 5.7-Розрахункова схема зусиль в кожусі і трубах теплообмінника

Вихідні дані:

температура кожуха t_к, К 315,39;

температура труб t_t , К 337,59;

зовнішній діаметр труб d_з, м 0,025;

внутрішній діаметр труб d, м 0,021;

товщина стінок труб S_T, м 0,002;

товщина стінки кожуха S_K, м 0,004;

внутрішній діаметр кожуха D, м 0,325;

кількість труб, n 62;

довжина труб L_T, м 2;

довжина кожуха L_к, м 2;

матеріал ВСт3сп5 ГОСТ 14637-79;

допустиме напруження , МПа;

коефіцієнт лінійного розширення для матеріалу труб, ;

коефіцієнт лінійного розширення для матеріалу кожуха, ;

коефіцієнт міцності зварного шва, ;

модуль пружності для для труб і кожуха Е, МПа .

Видовження труб внаслідок температурних деформацій, м:

. (5.1)

Видовження кожуха внаслідок температурних деформацій, м:

. (5.2)

Площа поперечного перерізу кожуха, :

. (5.3)

Площа поперечного перерізу труб, :

. (5.4)

В результаті температурних деформацій на трубну решітку буде діяти напруження, що вираховується за формулою, Н: . (5.5)

Від’ємне значення означає, що труби стиснуті, Н:

. (5.6)

Розраховуємо деформації:

. (5.7)

. (5.8)

Напруження в кожусі і трубах, обумовлені дією температур, МПа:

. (5.9)

. (5.10)

Перевірка умов міцності та стійкості, МПа:

(5.11)

Площа поперечного перерізу однієї труби,:

(5.12)

Момент інерції,

(5.13)

Гнучкість:

(5.14)

По значенню гнучкості за графіком обираємо коефіцієнт зменшення допустимих напружень при втраті стійкості і перевіряємо умову стійкості (перевіряється одна труба):

. (5.15)

Умова стійкості виконується.

5.4 Гідравлічний розрахунок

Метою гідравлічного розрахунку є визначення гідравлічного опору як в міжтрубному, так і в трубному просторі теплообмінника, а також визначення затрат потужності на переміщення теплоносіїв. Розрахунок здійснюємо за методикою, викладеною в [11].

Розрахункова схема зображена на рисунку 5.5.

Вихідні дані для розрахунку:

Середня температура газу К , 342,5

Густина конденсату при середній температурі, кг/м³, 7,311

Швидкість конденсату, м/с, 5

Критерій Рейнольдса конденсату, Re₂ 54110

Середня температура технічної води, К, 320,5

Густина технічної води при середній температурі, кг/м³, 991

Швидкість технічної води, м/с, W₁ 0,12

Критерій Рейнольдса технічної води, Re₁ 2602

Рисунок 5.5 Схема гідравлічного опору

В трубному просторі витрати тиску на подолання тертя та місцевих опорів, Па, визначаються за формулою [11].

,

де - коефіцієнт тертя,

- сума коефіцієнтів місцевого опору.

Коефіцієнт визначається залежно від режиму, в турбулентних потоках виділяють три зони. Для вибору розрахункової формули необхідно знати відносну шорсткість труб. Для труб можна прийняти значення абсолютної шорсткості Δ=0,2 мм [11]. Тоді значення відносної шорсткості знайдемо з залежності:

Тоді можна визначити, що в теплообміннику має місце зона змішаного тертя [11]:

Тоді коефіцієнт тертя визначаємо за формулою [11]:

Коефіцієнти місцевих опорів приймаємо згідно до рекомендацій, наведених в [15]:

Вхідна камера

Вхід і вихід в трубу

Втрати в вхідній камері необхідно розраховувати по швидкості в штуцерах:

Тоді втрати тиску в трубному просторі:

Втрати тиску на подолання місцевих опорів в міжтрубному просторі, Па, визначається за формулою:

Коефіцієнти місцевих опорів приймаємо згідно до рекомендацій, наведених в [15]:

Вхід і вихід в міжтрубний простір

Поворот через сегментну перегородку

Опір пучка труб визначається за формулою [11]:

де – m число рядів труб:

де n – кількість труб в теплообміннику, n=111

Опір на вході і виході в міжтрубний простір необхідно розраховувати по швидкості в штуцерах:

Тоді гідравлічний опір міжтрубного просторі:

Витрати потужності на переміщення технічної води в трубному просторі теплообмінника [15]:

_де - витрати технічної води; кг/с.

Витрати потужності на переміщення конденсату в міжтрубному просторі теплообмінника:

де - витрати конденсату;кг/с.

Висновок: визначені гідравлічний опір трубного (97,78 Па) та міжтрубного простору (277,5 Па) теплообмінника та затрати потужності на переміщення теплоносіїв через теплообмінник (в міжтрубному просторі Вт, в трубному просторіВт).

Література:

1. Янвель

2. Остров