В межтрубном пространстве гидравлическое сопротивление можно рассчитать по формуле
. (23)
Скорость жидкости в межтрубном пространстве определяют по формуле
, (24)
где Sмтр – наименьшее сечение потока в межтрубном пространстве (см. таблицы IV…VII приложения).
Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в межтрубном пространстве
xмтр1 =1,5 – вход и выход жидкости;
xмтр2 =1,5 – поворот через сегментную перегородку;
xмтр3 = – сопротивление пучка труб;
где ; m – число рядов труб, которое приближенно можно определить по выражению с последующим округлением полученного значения в большую сторону до целой величины.
Сопротивление входа и выхода следует также определять по скорости жидкости в штуцерах, диаметры условных проходов которых приведены в таблице VIII приложения.
Число сегментных перегородок зависит от длины и диаметра аппарата. Для нормализованных теплообменников эти числа приведены в таблице IX приложения.
Расчетная формула для определения гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве имеет вид
, (25)
где х – число сегментных перегородок;
m – число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве.
Примеры теплотехнического и гидравлического расчетов поверхностных теплообменных аппаратов приведены в [1, с. 66-85; 2, с. 213-246; 3, с. 104-117; 5, с. 95-153].
3 Механический расчёт теплообменника
3.1 Выбор конструкционных материалов
Для изготовления кожуха, распределительной камеры, крышек, крышек теплообменника приняли конструкционный материал, согласно ГОСТ 14637-79
Для изготовления трубной решётки теплообменника приняли конструкционный материал согласно ГОСТ 8733-74.
Маркируем теплообменник:
800 ТНГ – 0,6 – 0,4 – М - 2
25 Г -6
3.2 Механические свойства сталей
Согласно [6, с.39, 57, 66] составим таблицу 7.
Таблица 7 – Механические свойства сталей
Материал
Технические требования
в
m
B Cm 3 Сп 5
ГОСТ 380 - 71
Сm 20
ГОСТ 8731 - 74
3.3 Определение допускаемых напряжений
Допускаемое напряжение для рабочих условий , МПа. для стали B Cm 3 Сп 5 определим по таблице:
Таблица 8 - Допускаемые напряжения для сталей
Расчетная температура, °С
Допускаемое напряжение σ* МПа, для сталей
ВСт3
20, 20К
09Г2С, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 10Г2С1
10Г2
12ХМ
12ХМ
15Х5М
15Х5М-У
15Х5М-У
08Х22Н6Т,
08Х21Н6М2Т
03Х21Н21
М4ГБ
03Х18Н11
03Х16Н15
МЗ
06ХН28М
ДТ, 03ХН28МДТ
-
-
-
-
-
-
-
-
Продолжение таблицы 8
Расчетная температура, °С
ВСт3
20, 20К
09Г2С, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 10Г2С1
10Г2
12ХМ
12ХМ
15Х5М
15Х5М-У
15Х5М-У
08Х22Н6Т,
08Х21Н6М2Т
03Х21Н21
М4ГБ
03Х18Н11
03Х16Н15
МЗ
06ХН28М
ДТ, 03ХН28МДТ
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
* (22)
где n – поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки
* - нормативно допускаемое напряжение, МПа
Допускаемое напряжение из условия испытания , МПа определим по формуле
(23)
где m20 - минимальное значение предела текучести при температуре 20 0С, МПа.
Таблица 9 – Предел текущей стали
Температура
t, 0С
Марка стали
Температура
t, 0С
Марка стали
ВСт3
20К
09Г2С
16ГС
ВСт3
20К
09Г2С
16ГС
-
-
-
-
-
-
-
-
-
3.4 Определение пробного давления испытания согласно [2, с.9]
(24)
где Pp - расчётное давление, МПа
3.5 Определение прибавки к расчётной толщине стенки
Прибавка для компенсации коррозии и эрозии определяли согласно по формуле
(25)
где Сэ - прибавка для компенсации эрозии;
П - проницаемость среды в материале (скорость коррозии)
- срок службы аппарата.
3.6 Расчёт на прочность цилиндрической обечайки
Расчётная толщина стенки цилиндрической части корпуса, определяется по формуле:
(26)
где Pp - расчётное давление, МПа;
Pи - пробное давление, МПа;
- коэффициент прочности сварного шва;
- допускаемое напряжение при рабочих условиях, МПа;
- допускаемое напряжение из условия испытания, МПа.
Коэффициент прочности сварного шва принимали по таблице 10.
Стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполненный автоматической или полуавтоматической сваркой
1,0
0,9
Стыковой с подваркой корня шва или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполненный вручную
1,0
0,9
Стыковой, доступный сварке только с одной стороны и имеющий в про0цессе сварке металлическую подкладку со стороны корня шва
0,9
0,8
Тавровый, с конструктивны зазором свариваемых деталей
0,8
0,65
Стыковой, выполненный автоматической или полуавтоматической сваркой с одной стороны, с флюсовой или керамической подкладкой
0,9
0,8
Стыковой, выполненный вручную с
одной стороны
0,9
0,65
Исполнительная толщина стенки S, м определяется по формуле:
S=Sp+C+C0 (27)
где Sp - расчётная толщина стенки
C - прибавка к расчётной толщине стенки. М;
C0 - прибавка на округление размера до стандартного размера, м
По рекомендациям ОСТ 26-91 и по соображениям жёсткости конструкции принимаем S = 6мм
3.7 Определение толщины крышки
Расчётная толщина крышки Sпр определяется по формуле:
(28)
где к – коэффициент, учитывающий тип закрепления крышки.
3.8 Определение толщины трубной решётки.
Толщина трубной решётки S,м, определяется исходя из условия закрепления труб сваркой по формуле:
(29)
где dн - наружный диаметр трубок, м;
t - шаг трубок, м
3.9 Выбор фланцевого соединения
Согласно [ 2, с.91] приняли плоские приварные фланцы типа выступ-впадина. Материал BCm 3 Сп 3
3.10 Расчёт температурных напряжений в трубах и корпусе
Расчёт ведём по формуле
(30)
где - коэффициент линейного расширения материала и труб соответственно
tк,tт - средняя температура корпуса и труб;
Ек,Ет - модуль продольной упругости материала корпуса и труб соответственно Па;
Fт,Fк - площадь сечения труб и корпуса соответственно.
Fт=n· ·(dн2-dвн2) (31)
где n- общее число труб;
dн- наружный диаметр труб, м;
dвн- внутренний диаметр труб, м
Площадь сечения корпуса
Fк = (Дн2-Двн2) (32)
где Дн - наружный диаметр аппарата, м;
Двн - внутренний диаметр аппарата, м.
Примеры технологического, гидравлического и механического расчетов теплообменных аппаратов приведены в [8].
Варианты контрольных заданий
Рассчитать и пообобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого теплообменного аппарата при следующих данных:
Рабочая среда
Назначение аппарата
Параметры рабочей среды
Массовый расход
G, кг/ч
температура, 0С
абсолютное давление
Pх10-5, Па
допускаемые потери давления Pх10-5, Па
начальная
конечная
Спирт этиловый
холодильник
1,5
0,20
Бензол
2,0
0,13
Толуол
1,3
0,12
Этилацетат
10,0
0,15
Азот
2,0
0,3
Хлорбензол
1,5
0,15
Кислота уксусная (50%)
1,0
0,11
Воздух
нагреватель
2,5
0,19
Хлорбензол
1,3
0,20
Четырёххлористый углерод
2,0
0,13
Спирт метиловый
3,0
0,25
Азот
2,0
0,30
Толуол
1,3
0,12
Спирт этиловый
1,5
0,20
Бензол
1,0
0,14
Бензол
конденсатор
-
-
2,5
0,16
Толуол
-
-
1,3
0,23
Уксусная кислота (50%)
-
-
1,5
0,16
Спирт бутиловый
-
-
1,0
0,11
Толуол
-
-
1,5
0,20
Спирт метиловый
-
-
1,5
0,12
хлорбензол
-
-
1,2
0,14
Спирт этиловый
-
-
1,5
0,18
Четырёххлористый углерод
-
-
2,0
0,16
Бензол
испаритель
-
1,4
-
Толуол
-
1,2
-
Спирт этиловый
-
1,0
-
Спирт бутиловый
-
1,1
-
Четырёххлористый углерод
-
1,2
-
Уксусная кислота (50%)
-
1,3
-
Литература
1 Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1991. – 496 с.
2 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. – 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.
3 Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: учебник для техникумов. – Л.: Химия, 1991. – 352 с.
4 Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: справочник. – Изд. 2-е, перераб. и доп. Т.2. – Калуга: Изд. Н.Бочкаревой, 2002. – 1028 с.
5 Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л., Химия, 1974. – 344 с.
6 Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры.- Л.: Машиностроение, 1970. – 752 с.
7 Михалев М.Ф. и др. Расчет и конструирование МАХП.- Л.: Машиностроение, 1984. – 301 с.
8 Поникаров И.И., Поникаров С.И., Рачковский С.В. Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи): учебное пособие. – М.: Альфа-М, 2008. – 720 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица I – Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от давления
* Трубы диаметром 25´2 мм должны быть изготовлены из высоколегированных сталей; допускаются трубы из углеродной стали, но диаметром 25´2,5 мм.
** Шесть ходов по трубам может быть только у конденсаторов.
3* Данные в правых столбцах относятся к расположению труб в трубных решетках по вершинам равносторонних треугольников, остальные – по вершинам квадратов (по ГОСТ 13202–77).
Таблица VI – Параметры кожухотрубных теплообменников с U-образными трубами (по ГОСТ 14245–79)
D кожуха, мм
Площадь сечения одного хода по трубам*, м2
Поверхность теплообмена (м2) при трубе, м
Площадь самого узкого сечения в межтрубном пространстве**, м2
3,0
6,0**
9,0**
0,007
0,013
0,022
0,031
0,057
0,097
0,142
0,197
–
–
–
0,039
0,067
0,112
0,165
0,234
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
0,011
0,020
0,032
0,047
0,085
0,120
0,135
0,161
–
–
–
0,037
0,073
0,108
0,151
0,187
* Рассчитана по наружному диаметру труб.
** Данные в правых столбцах к расположению труб в трубной решетке по вершинам равносторонних треугольников, остальные – по вершинам квадратов (по ГОСТ 13203–77).
Таблица VII – Параметры кожухотрубных испарителей с паровым пространством (по ГОСТ 14248–79)
Примечание. 1. Испарители могут быть только одноходовыми из труб 25´2 мм.
2. Для труб длиной 1 м теплообменников и холодильников равна 174 кг при D=159 мм и 320 кг при D=273 мм.
Таблица XI – Средние значения шероховатости стенок труб
Трубопроводы
D, мм
Трубы стальные цельнотянутые и сварные при незначительной коррозии
Старые заржавленные стальные трубы
Трубы из кровельной стали проолифенные
Чугунные трубы водопроводные, бывшие в эксплуатации
Алюминиевые технически гладкие трубы
Чистые цельнотянутые трубы из латуни, меди и свинца; стеклянные трубы
Нефтепроводы при средних условиях эксплуатации и паропроводы насыщенного пара
Паропроводы, работающие периодически
Воздухопроводы сжатого воздуха от компрессора
Конденсатопроводы, работающие периодически
0,2
0,67 и выше
0,125
1,4
0,015–0,06
0,0015–0,01
0,2
0,5
0,8
1,0
Таблица XII– Соотношение между единицами измерения
Величины
Единицы измерения в СИ
Соотношение между единицами измерения СИ и наиболее часто встречающимися единицами других систем
Длина
м
1 мкм = 10-6 м
1 Ǻ = 10-10 м
Масса
кг
1 т = 1000 кг
1 ц = 100 кг
Температура
К
tоС = (t + 273,15) К
tоF = К
Угол плоский
рад
1о = рад
1/ = рад
1 оборот = 2p рад = 6,28 рад
Вес (сила тяжести)
Н
1 кг = 9,81 Н
1 дин = 10 -5 Н
Вязкости коэффициент динамический
Па. с
1 П = 1 дин.с/см2 = 0,1 Па. с
1 сП = = 10-3 Па. с = 1 мПа. с
Вязкости коэффициент кинематический
м2/с
1 Ст = 1 см2/с = 10-4 м2/с
Давление
Па
1 бар = 105 Па
1 мбар =100 Па
1 дин/см2 = 1 мкбар = 0,1 Па
1 кгс/см2 = 1 атм = 9,81. 104 Па = 735 мм рт.ст.
1 кгс/м2 = 9,81 Па
1 мм вод.ст. = 9,81 Па
1 мм рт.ст. = 133,3 Па
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Статика является частью теоретической механики, изучающей условия, при которых тело находится под действием заданной системы сил...
Экспертная оценка как метод психологического исследования Экспертная оценка – диагностический метод измерения, с помощью которого качественные особенности психических явлений получают свое числовое выражение в форме количественных оценок...