3.2 Опис та обґрунтування конструкції апарата, його основних вузлів та деталей

На рисунку 3.1 зображений горизонтальний кожухотрубний теплообмінник. Незважаючи на те, що горизонтальний кожухотрубний теплообмінник займає значну площу, було обрано цю конструкцію, оскільки вона є зручнішою при обслуговуванні та експлуатації, а також при влаштуванні його на робочу поверхню. Основними елементами даного одноходового горизонтального кожухотрубного теплообмінного апарата є корпус, кришки, трубні решітки, пучки труб. Трубні решітки приварені до кожуха. В трубних решітках закріплений пучок труб. До трубних решіток прикріплені (на прокладках та болтах) кришки.

В теплообміннику одне з середовищ, більш нагріте – насичена водяна пара – рухається в міжтрубному просторі, а інше – тетрахлорметан, що нагрівається – в трубному.

1 – розподілювальна камера, 2 – кришка, 3 – трубчатка

Рисунок 3.1 - Кожухотрубний теплообмінник

Всі процеси, що протікають в апараті відбуваються в корпусі, властивості якого мають задовольняти такі вимоги: герметичність, компактність розміщення, міцність і відносна дешевизна. Труби в решітках рівномірно розміщені по периметру правильного шестикутника. Метою такого розміщення труб є забезпечення компактного розміщення необхідної поверхні теплообміну всередині апарата. Труби закріплюють в решітках найчастіше всього розвальцьовкою [2].

3.3 Вибір матеріалів для виготовлення основних вузлів і деталей апарата.

Беручи до уваги властивості і параметри (температура, тиск) робочих середовищ в апараті для виготовлення металевих елементів апарата, які контактують з оброблювальними середовищами (теплоносіями) використовуємо сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72. А для решти металевих елементів використовуємо конструкційну вуглецеву сталь звичайної якості марки Ст3 ГОСТ 380-94 [6].

Для виготовлення ущільнювальних прокладок фланцевих з`єднань використовуємо пароніт маслобензостійкий ПМБ ГОСТ 481-80 [6].

Для виготовлення кріпильних елементів (болтів, гайок) використовуємо конструкційну вуглецеву сталь підвищеної якості марки Сталь 35 ГОСТ 1050-88 [6].

3.4 Відповідність розроблюваного апарату вимогам техніки безпеки та промислової санітарії

До теплообмінних апаратів, як і до будь-яких інших, висувається ряд вимог щодо безпечного функціонування. Ці вимоги сформульовані в ГОСТ 12.2.003-91 ССБТ [5].

У відповідності зі стандартом промислове обладнання повинно відповідати вимогам безпеки при монтуванні, експлуатації, ремонті, транспортуванні та зберіганні.

Промислове обладнання в процесі експлуатації не повинно забруднювати навколишнє середовище викидами шкідливих речовин вище певних норм; повинно бути пожежо- та вибухобезпечним; не повинно створювати небезпеку при дії вологи, сонячної радіації, механічних коливань, високих і низьких тисків та температур та інших чинників [5].

Теплообмінник відноситься до спеціалізованого обладнання, яке використовується для проведення одного процесу різних модифікацій. Цей апарат працює під тиском. Основною небезпекою при роботі таких апаратів є можливість їх пошкодження при неконтрольованому адіабатному розширенні газів або парів (фізичний вибух). Причинами аварій можуть бути: невідповідність конструкції максимально допустимому тиску і температурному режиму; перевищення тиску в апараті; зниження механічної міцності апарата (корозія, внутрішні дефекти металу, місцеве перегрівання); відсутність необхідного технічного нагляду. Тому теплообмінний апарат має відповідати вище названим вимогам безпеки при монтажі, експлуатації та ремонті.

Не допускається проведення ремонтних робіт під час роботи, а після кожного ремонту чи реконструкції необхідно проводити внутрішній огляд апарату та піддавати його гідравлічному випробуванню.Конструкція апарата, який зігрівається гарячим паром чи газом, повинна забезпечувати надійне охолодження стінок, які знаходяться під тиском, до розрахункової температури.

Зварні шви повинні розташовуватись поза опор апарата. Обслуговуючий персонал повинен неухильно виконувати інструкції по режиму роботи та безпечному обслуговуванню апарата і своєчасно перевіряти швидкість руху теплоносія в між трубному і трубному просторі, справність арматури, вимірювальних приладів, передаточних пристроїв [5].

4 Розрахунки, які підтверджують працездатність і надійність конструкції

4.1 Тепловий розрахунок

Мета розрахунку: визначення площі поверхні теплообміну, а також основних розмірів (діаметр кожуха і довжину теплообмінних труб) теплообмінного апарата.

Вихідні дані для розрахунку: процес – нагрівання тетрахлорметану від температури 20 С до температури кипіння. Масова витрата тетрахлорметану становить 10 кг/с. Нагрівальний агент – насичена водяна пара з відносною масовою часткою повітря в парі 1,5 %. Втрати теплоти крізь зовнішню поверхню теплообмінника складають 7 % від корисно витраченої теплоти.

Процес відбувається при тиску, що складає 2 МПа. Схема теплового руху наведена на рисунку 3.1.

Температура конденсації насиченої водяної пари при Р= 2 МПа складає t_н.п. = 119,6 ⁰С. Температура кипіння тетрахлорметану – 76,7 С [3].

Температурні умови процесу

Температурна схема:

t_поч. = 20 С → t_кін. = 76,7 С;

t_н.п. = 119,6 С → t_н.п.= 98 С.

Більша різниця температур:

∆t_б = t_н.п.– t_поч. = 119,6 – 20 = 99,6 С.

Менша різниця температур:

∆t_м. = t_н.п. – t_кін. = 98– 76,7 = 22,7 С.

Середньологарифмічна різниця температур:

Середня температура тетрахлорметана:

t₂ = t_н.п. – ∆t_ср = 119,6 – 68,3=51,3 С.

Об’ємна витрата тетрахлорметану:

м³/с,

де ₂ = 1536,5 кг/м³ – густина тетрахлорметану при t = 50 С (табл. IV) [1].

Витрати теплоти на нагрівання тетрахлорметану:

Вт,

де с₂ = 838 Дж/(кг∙К) – теплоємність тетрахлорметану при t = 50 С (рис. ХI) [1].

Витрати гріючої пари з урахуванням втрат 7%:

кг/с,

де r = 2208 10³ Дж/кг – питома теплота конденсації гріючої пари при t = 50С (табл. LVІI) [1].

Визначаємо орієнтовну площу теплообміну:

,

де K = 120 Вт/(м²К) – орієнтовне значення коефіцієнта теплопередачі пари, що конденсується до органічних рідин (табл. 4.8) [1].

Для забезпечення турбулентної течії суміші в трубах швидкість повинна бути:

м/с,

де μ₂ = 0,6510^-3Па∙с – динамічна в’язкість тетрахлорметану при t = 50 С (табл. ІХ) [1]. = 10000 – критерій Рейнольдса, що відповідає турбулентному руху тетрахлорметану в трубному просторі.

Кількість труб 25х2 мм, при = 10000 становить:

Умові та відповідає теплообмінник кожухотрубний одноходовий діаметром D = 600 мм з кількістю труб на один хід n = 257(загальна кількість труб n_заг = 257) довжиною труб L = 3 м, діаметром труб Ø25х2 мм та площею теплообміну F = 61 м² (табл. 4.12) [1].

Знаходимо критерій Рейнольдса для теплообмінника:

Перерахунок швидкості течії тетрахлорметану в трубах:

м/с,

Знаходимо критерій Прандтля для тетрахлорметану:

де λ₂=0,114 Вт/(мК) – теплопровідність тетрахлорметану при t = 50 °C (рис. Х) [1].

За монограмою рис. XII [1] знаходимо значення критерію Нуссельта, беручи

Nu₂ = 25,3.

Коефіцієнт тепловіддачі для тетрахлорметану:

Вт/(м²∙К).

Коефіцієнт тепловіддачі для пари:

Вт/(м²∙К),

де ε – коефіцієнт, який залежить від кількості труб у вертикальному ряду

(для шахового розміщення труб приймаємо ε = 0,58 (рис. 4.7) [1], =0,38 – коефіцієнт, що враховує залежність фізичних властивостей конденсату від температури (рис. 4.9) [1], = 1069,8 – функція, яка враховує властивості води при температурі конденсації 119,6 С (табл. 4.6) [1].

Сумарний термічний опір стінки і забруднень:

м²∙К,

де = 1/5800 (м²∙К)/Вт – забруднення з боку води (табл. ХХХІ) [1],

= 1/5800 (м²∙К)/Вт – забруднення з боку пари (табл. ХХХІ) [1],l_ст = 0,002 м – товщина стінки труби, λ_ст = 46,5 Вт/(м∙К) – теплопровідність стінки зі сталі (табл.XXVIII) [1].

Визначення коефіцієнта теплопередачі

Для труби 25х2 мм відношення діаметрів:

,

тому, розрахунки можна робити, як для плоскої стінки.

Вт/(м²К).

Розрахункова площа теплообміну:

Оскільки коефіцієнт тепловіддачі Вт/(м²К), то розрахунковим діаметром при визначенні поверхні труб слід прийняти d₂ = 0,021 м. Тоді дійсна площа теплообміну:

Оскільки, при даних розрахунках не має запасу поверхні, то вибираємо довжину труб L=4 м. Перераховуємо:

Коефіцієнт тепловіддачі для тетрахлорметану:

Вт/(м²∙К).

Коефіцієнт тепловіддачі для пари:

Вт/(м²∙К),

де ε – коефіцієнт, який залежить від кількості труб у вертикальному ряду

(для шахового розміщення труб приймаємо ε = 0,58 (рис. 4.7) [1], =0,38 – коефіцієнт, що враховує залежність фізичних властивостей конденсату від температури (рис. 4.9) [1], = 1069,8 – функція, яка враховує властивості води при температурі конденсації 119,6 С (табл. 4.6) [1].

Сумарний термічний опір стінки і забруднень:

м²∙К,

де = 1/5800 (м²∙К)/Вт – забруднення з боку води (табл. ХХХІ) [1],

= 1/5800 (м²∙К)/Вт – забруднення з боку пари (табл. ХХХІ) [1],l_ст = 0,002 м – товщина стінки труби, λ_ст = 46,5 Вт/(м∙К) – теплопровідність стінки зі сталі (табл.XXVIII) [1].

Визначення коефіцієнта теплопередачі

Для труби 25х2 мм відношення діаметрів:

,

тому, розрахунки можна робити, як для плоскої стінки.

Вт/(м²К).

Розрахункова площа теплообміну:

Оскільки коефіцієнт тепловіддачі Вт/(м²К), то

розрахунковим діаметром при визначенні поверхні труб слід прийняти d₂ = 0,021 м. Тоді дійсна площа теплообміну:

Запас поверхні теплообміну:

.

Запас площі поверхні теплообмінника достатній.

Питоме теплове навантаження:

Вт/м².

Визначення температури стінки з боку тетрахлорметану:

°С,

t_ст.2 = t₂ + Δt₂ = 51.3+ 63.8 = 115.1 °С.

Перевірка прийнятого значення .

де с_ст.= 880 Дж/(кг∙К) – питома теплоємність тетрахлорметану при t_ст.2 (рис. ХI) [1], _ст. = 0,57∙10^-3 Па∙с – в’язкість тетрахлорметану при t_ст.в (табл. ІХ) [1], λ_ст.= 0,112 Вт/(м∙К) – теплопровідність тетрахлорметану при t_ст.в (рис. Х) [1].

Тоді:

Було прийнято, що = 1,05; різниця складає ~ 2,9 %. Можна вважати,що К розраховано достатньо точно.

Визначення температури стінки для води:

°С,

t_ст.1 = t_н.п.. – Δt₁ = 119,6– 1,12 = 118,5 °С.

Середня температура стінки:

°С,

що відрізняється від температури кожуха на:

Δt_к-тр. = 119,6 – 116,8 = 2,8 °С.

Приймаємо один одноходовий кожухотрубний теплообмінник з внутрішнім діаметром кожуха 600 мм, кількістю труб 257 (257 труб на один хід) і довжиною труб L = 4 м, діаметром трубок Ø 25х2 мм і розрахунковою площею теплообміну F=81 м². Оскільки різниця температур менша 30 С, вибираємо теплообмінник типу ТН жорсткої конструкції (ГОСТ 15118-79).

4.2 Конструктивний розрахунок

Мета розрахунку: визначення основних розмірів елементів теплообмінника.

Вихідні дані: теплоносій у між трубному просторі – насичена водяна пара, теплоносій у трубному просторі – тетрахлорметан; масова витрата тетрахлорметан –10 кг/с; орієнтовна загальна кількість труб – 257; труби – Ø252 мм; крок розташування труб в трубній решітці – t =32 мм.

4.2.1 Розміщення труб в трубних решітках

Для пучка труб із шаховим розміщенням зв’язок між загальною кількістю труб на діагоналі (b) і на стороні (а) шестикутника виражається:

n΄ = 3a(a-1) + 1; b = 2a-1

257 = 3а(a-1) + 1

3а² - 3а + 1 = 257

3а² - 3а - 256 = 0

a = 10; b = 2∙10 – 1 = 19,

Кількість перегородок:

p΄=p – 1=1 – 1=0 шт,

де p – кількість ходів у вибраному теплообміннику.

Рисунок 4.1 − Схема розміщення труб в трубній решітці

В шестикутнику при а = 10 може вміститися

n = 3∙10∙(10-1)+1=269,

Площа поверхні теплообміну з даною кількістю труб становить:

F = d_ср.nL = 3,14∙0,021∙269∙4 = 70,95 м².

Запас площі поверхні теплообмінника, складає:

.

Оскільки запас площі теплообміну достатній. Остаточно приймаємо один одноходовий кожухотрубний теплообмінник з внутрішнім діаметром кожуха 600 мм, кількістю труб 269 ,довжиною труб L=4 м, діаметром трубок Ø 25х2 мм і розрахунковою площею теплообміну F=81 м².

Розрахунок кроку між осями труб:

t = 1,28∙d_н = 1,28∙0,025 = 0,032 м.

4.2.2 Визначення діаметрів штуцерів

4.2.2.1 Штуцер підведення і відведення тетрахлорметану

Об’ємна витрата тетрахлорметану:

м³/с,

де = 1536,5 кг/м³ – густина тетрахлорметану при t =50 °С (табл. IV) [1].

Діаметр штуцерів для тетрахлорметану:

м.

Приймемо DN80, S_тр = 4,5 мм, d_зов = 89 мм.[4]

4.2.2.2 Штуцер підведення пари води

Об’ємна витрата пари води:

м³/с,

кг/м³,

де – густина пари води за н. у.

Діаметр штуцерів для пари води:

м.

=50 — рекомендована швидкість руху пари [10].

Приймемо DN100, S_тр = 5 мм, d_зов = 108 мм [6].

4.2.2.3 Штуцер відведення конденсату

Об’ємна витрата конденсату:

м³/с,

де ρ₁=958 кг/м³ – густина води при t_конд (табл. IV) [1].

Діаметр штуцерів для конденсату:

м,

де =1 — рекомендована швидкість руху рідини в штуцерах [10].

Приймемо DN20, S_тр = 2 мм, d_зов = 25 мм [6].

4.2.3 Вибір фланців.

Оскільки діаметр кожуха становить 600 мм , а тиск 0,19 МПа, то згідно з [6] вибираємо фланцеве з’єднання типу 2 (ГОСТ 28759.2-90): D₁ = 720 мм; D₂ = 680 мм; D₃ = 644 мм; D₄ = 652 мм; a = 14 мм; D₅ = 643 мм; a₁ = 12 м; b = 25 мм; S = 8 мм; d = 23 мм.

4.2.4 Вибір опор апарата.

Для знаходження маси сухого аппарату слід знайти:

1. масу кожуха:

кг,

де = 7850 – густина сталі, = 0,007 м – товщина стінки кожуха [3];

2. масу труб:

кг;

3. масу кришки:

кг,

де = 0,2 м² – площа днища;

4. масу трубної решітки

Тоді, маса сухого апарата:

Об’єм трубного простору:

= м³.

Маса тетрахлорметану в трубному просторі:

кг,

де ρ=1594 кг/м³ – густина тетрахлорметану при t_поч. = 20 С [1].

Об’єм міжтрубного простору:

= м³.

Маса пари води в міжтрубному просторі:

кг.

Опори обираємо відповідно до діаметра корпуса та маси апарата під час гідравлічних випробувань:

кг

Маємо загальне навантаження на опори:

Н.

Оскільки апарат розміщений горизонтально, а його довжина апарата сягає 3 м, то доцільно вибрати дві опори. Тоді навантаження на одну опору:

Н.

Виберемо опору типу I для D_н=600 мм, Q=80 кН, ГОСТ 26-1265-75 [4].

4.3 Гідравлічний розрахунок

Мета розрахунку: витрати тиску під час проходження метанолу крізь трубний простір апарата.

Вихідні дані: витрати тетрахлорметану, що нагрівається – 10 кг/с; загальна кількість труб – 269.

Розрахунок швидкості руху рідини у трубах.

.

Коефіцієнт тертя λ для перехідного режиму в шорсткуватих трубах.

,

,

де – відносна шорсткість труб, Δ = 8∙10^-5 м – абсолютна шорсткість для нових стальних труб (табл. ХІІ) [1].

,

.

Втрати тиску в трубному просторі:

,

де – сума коефіцієнтів місцевого опору потоку в трубному просторі.

,

де _тр1 = 1,5 – вхід та вихід з камери; _тр2 = 2,5 – поворот між ходами; _тр3 = 0,5 – вхід в труби; _тр4 = 1,0 – вихід з труб.

,

Па.

Таким чином витрати тиску в трубному просторі становлять1606 Па.

5 Вибір насоса для перекачування рідини в трубному просторі апарата

Мета розрахунку: вибрати насос для перекачування тетрахлорметану в трубному просторі.

Вихідні дані для розрахунку: витрати тетрахлорметану, що нагрівається – 10 кг/с при t_ср = 50°С.

Щоб підібрати насос для перекачування тетрахлорметану при температурі 50 ^оС в апараті, слід враховувати корисну потужність, яка витрачається на переміщення тетрахлорметану крізь трубний простір теплообмінника, що складає:

м³/с,

кВт

Потужність, яку повинен розвивати електродвигун насоса:

кВт,

де η_н = 0,6 – коефіцієнт корисної дії для насоса середньої продуктивності.

За даними (табл. 2.5) [1] обираємо відцентровий насос марки Х45/21, для якого за оптимальних умов роботи продуктивність Q = 1,25*10^-2 м³/с, з двигуном типу А02-51-2 номінальної потужності 10 кВт.