Приклади розрахунків теплообмінного

Обладнання

 

Задача 3.1. Виконати тепловий розрахунок вертикального кожухотрубного регенеративного теплообмінного апарата парової холодильної машини, якщо її холодильна продуктивність =100 кВт; температура кипіння робочого тіла =268 К; температура конденсації =313 К; температура пари на вході в компресор =283 К; температура рідини перед дроселюванням =302 К; Робоче тіло – R12; Витрата робочого тіла =0,8285 кг / с; теплове навантаження на теплообмінник =9,1135 кВт.

Розрахунок

1. Фізичні властивості рідкого робочого тіла (R12) визначаємо з [7] за середньою температурою =307,5 К:

- густина =1255 кг / м ³; теплоємність =991 Дж /(кг · К);

- коефіцієнт теплопровідності =0,0654 Вт /(м · К);

- коефіцієнт динамічної в’язкості =0,246·10^-3 Па · с;

- коефіцієнт кінематичної в’язкості =0,1927·10^-6 м ²/ с;

- коефіцієнт температуропровідності =0,5168·10^-6 м ²/ с.

2. Фізичні властивості парів R12 визначаємо з [7] за середньою температурою =275,5 К:

- густина =14,5 кг / м ³;

- теплоємність =611,3 Дж /(кг · К);

- коефіцієнт теплопровідності =0,9159·10^-2 Вт /(м · К);

- коефіцієнт динамічної в’язкості =12,177·10^-6 Па · с;

- коефіцієнт кінематичної в’язкості =0,634·10^-6 м ²/ с;

- коефіцієнт температуропровідності =0,776·10^-6 м ²/ с.

Рідкий R12

Пара R12

Рідкий R12

Пара R12

 

Рис. 3.15. Вертикальний кожухотрубний

регенеративний теплообмінний апарат

 

3. Основні розміри, що характеризують поверхню теплообміну апарату: труби мідні, гладкі; внутрішній діаметр труби м; зовнішній діаметр труби м.

Теплообмінні труби навиваються на сердечник (витискувач, що має зовнішній діаметр мм, з труби 219x6 мм) в три ряди з відстанню між суміжними рядами по центрах труб мм. Товщина дистанційних пластинок δ=4 мм. Число паралельно включених труб n=6.

Таблиця 3.2

Основні розміри змійовика

Величина	Позначення або розрахункова формула	Числове значення для ряду змійовиків
Діаметр витка, мм
Кількість труб в ряді	z
Крок одного витка, мм
Довжина витка, мм
Кількість витків		5,39	4,4	3,7
Висота навивки, мм

 

4. Площа трубного простору

м².

5. Швидкість руху рідини в трубах

м/с.

6. Число Рейнольдса

.

Число Прандтля .

7. Число Нуссельта для турбулентного режиму руху рідини в змійовиках

де - середній радіус міжтрубного простору:

м,

де - середній діаметр міжтрубного простору:

м,

де - розрахунковий діаметр кожуха апарата:

м,

де m =3 - кількість трубних рядів.

Як кожух використовують трубу 426 10 мм.

Тоді =0,406 м.

8. Коефіцієнт тепловіддачі з боку рідини

Вт /( К).

9. Швидкість пари в міжтрубному просторі

10. Число Рейнольдса

Число Прандтля .

10. Число Нуссельта для турбулентного руху пари

11. Коефіцієнт тепловіддачі з боку пари

Вт /( К).

12. Коефіцієнт теплопередачі, віднесений до внутрішньої поверхні труб

13. Площа поверхні теплообміну (внутрішньої)

.

14. Загальна довжина теплообмінної труби

м.

Конструктивна довжина труби м.

Характеристика навивки змійовика наведена в табл. 3.2.

 

Задача 3.2. Виконати гідравлічний розрахунок вертикального кожухотрубного теплообмінного апарата, тепловий розрахунок якого проведений в задачі 3.1.

 

Розрахунок

1. Гідравлічний опір апарата по трубному простору

1.1. Відносна площа перерізу для проходу рідкого робочого тіла в трубах

,

де м – внутрішній діаметр кришки.

1.2. Параметри:

;

,

де ; приймається =0,25.

1.3. Мінімальний діаметр патрубка входу рідини в апарат, що забезпечує рівномірний розподіл потоку по трубах

.

Приймаються діаметри патрубків входу і виходу рідини в апарат =40 мм (труби 45x2,5 мм).

1.4. Площі прохідних перерізів:

- у вхідному і вихідному патрубках

;

- перед входом в трубний пучок

.

1.5. Швидкості рідини:

- у вхідному і вихідному патрубках

м / с;

- у трубах =0,317 м / с.

1.6. Відносні площі перерізів для проходу рідини:

- у вхідному і вихідному патрубках

;

- з вхідної кришки в труби

.

1.7. Коефіцієнти втрати тиску в трубах:

на вході [6]; на виході =0,565.

1.8. Коефіцієнти місцевого опору:

- у вхідному патрубку [6];

- у вихідному патрубку ;

- на вході в трубний пучок

;

- на виході з трубного пучка

;

- на поворотах в одному витку змійовика .

1.9. Місцеві опори:

- у вхідному патрубку

Па;

- у вихідному патрубку

Па;

- на вході в трубний пучок

Па;

- на виході з трубного пучка

Па;

- на поворотах в змійовику

Па,

де =2 – кількість витків в змійовику.

1.10. Сума місцевих опорів

1.11. Опір тертя

Па.

1.12. Загальний гідравлічний опір по трубному простору

Па.

2. Гідравлічний опір апарата по міжтрубному простору

2.1. Прийнятий діаметр патрубків на вході пари в апарат і на виході з нього =100 мм (труба 108x4 мм).

2.2. Площа перетрізу патрубку

.

2.3. Швидкість руху пари в патрубку

м / с.

2.4. Сума місцевих опорів на вході пари в апарат і на виході:

Па,

де 1,5 – коефіцієнт місцевого опору; =2 – кількість входів і виходів.

2.5. Втрата тиску на тертя

2.6. Загальний гідравлічний опір по міжтрубному простору

Па.

 

Задача 3.3. Виконати розрахунок на міцність горизонтального кожухотрубного випарника холодильної машини із кипінням робочого тіла всередині труб (рис. 3.16), якщо внутрішній діаметр кожуха обичайки =0,213 м; довжина обичайки =1,92 м; кількість ходів z =2; кількість труб n=58; діаметр мідної труби =0,02 м; робоче тіло – R22; робочий тиск в трубному просторі 0,58 МПа (при температурі кипіння ), розрахунковий =2,16 МПа; робочий тиск в міжтрубному просторі =0,4 МПа, розрахунковий =0,98 МПа.

 

Матеріал обичайки, трубних решіток, фланців, днищ — Ст3сп, теплообмінних труб – М3 з алюмінієвим осереддям. Областю високого тиску у випарнику є трубний простір і простір під кришками апарата. З умови кращого розподілу парорідинної суміші R22 по рядах труб днища виконані плоскими. Отвори штуцерів і вхідних патрубків в кришках апаратів малих і середніх діаметрів доцільно укріплювати за рахунок конструктивних розмірів: товщина днища, розміщення отворів, розмірів штуцерів. Міцність обичайки, днища і трубних решіток випарника розраховують по методиці, викладеній в ГОСТ Р 52857.7-2007.

1. Розрахунок обичайки

1.1. Обичайку виготовляють з труби діаметром D_вн =0,213 м, =0,003 м. Розрахункова температура обичайки t_р =12°С. Допустиме нормативне напруження, для матеріалу обичайки =140 МПа (див. табл. 3.1).

1.2. Допустиме напруження для робочого стану матеріалу обичайки

1.3. Допустиме напруження при гідравлічних випробуваннях (випробувальний тиск =0,98 МПа)

1.4. Товщина обичайки

де c =1 мм — надбавка до розрахункової товщини стінки на корозію.

1.5. Допустимий робочий тиск

1.6. Допустимий тиск при гідравлічному випробуванні

Умова використання формул:

2. Розрахунок днища

2.1. У днищі є отвори для патрубків входу і виходу холодоагенту (див. рис. 3.16). З умов зміцнення отворів під патрубки приймаємо товщину стінки днища Діаметр днища Друге глухе плоске днище виготовляють по технологічних причинах також товщиною 10 мм.

2.2. Розрахункова температура днища °С. Допустиме напруження для матеріалу днища Коефіцієнт міцності зварного шва Надбавка до розрахункової товщини стінки днища на корозію

2.3. Розрахункова товщина стінки днища

2.4. Допустимий робочий тиск

Умова використання формул:

2.5. Визначимо найбільший допустимий діаметр отворів в днищі, що не вимагає перевірки зміцнення:

З урахуванням подальший розрахунок зміцнення отворів не потрібний.

3. Розрахунок трубної решітки.

Розрахунок проводимо по спрощеній методиці, що регламентується ГОСТ Р 52857.7-2007 для елементів теплообмінних апаратів, призначених для роботи під тиском не більше 6,4 МПа при різниці температур труб і кожуха не більше 40°С і ефективному коефіцієнті концентрації напруги в місцях кріплення решітки до фланця або кожуха

Товщина трубної решітки вибирається конструктивно і повинна забезпечувати можливість кріплення труб в решітці. Якщо решітка виконана заодно з фланцем, її товщина має бути не менше товщини відповідного фланця.

Спрощений розрахунок використовується за відсутності додаткових вимог до жорсткості решітки, при

,

де - внутрішній радіус кожуха обичайки; - відстань від осі кожуха обичайки до осі найбільш видаленої труби; - прийнята товщина трубної решітки.

3.1. Визначимо основні і допоміжні параметри трубної решітки і пов'язаних з нею елементів теплообмінного апарата.

Відносна характеристика безтрубного краю

.

Коефіцієнти впливу тиску на трубну решітку:

де - товщина стінки труби.

Коефіцієнт ослаблення трубної решітки

,

де - діаметр отворів в решітці;

t_р =0,0225 м – крок розташування отворів в решітці.

Значення коефіцієнта жорсткості перфорованої плити в залежності від наведені нижче.

	0,35	0,4	0,45	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8	0,85
	0,09	0,12	0,15	0,20	0,25	0,30	0,37	0,44	0,51	0,59	0,68

Модуль пружності основи трубної решітки, що характеризує жорсткість системи труб

де l =0,96 м – половина довжини труби.

Приведене відношення жорсткості труб до жорсткості кожуха обичайки

3.2. Приведений тиск

де 1/°С і - коефіцієнти лінійного розширення матеріалів кожуха обичайки і труб відповідно;

t_н =9°С, t_Т =7°С і t₀ =20°С – середні температури стінки кожуха, стінок труб і температура збирання апарата;

- коефіцієнти жорсткості системи труби-кожух (для розглядуваного в прикладі випарника з нерухомими трубними решітками і );

допоміжна величина

3.3. Товщина трубних решіток при виконанні конструктивних і технологічних вимог, викладених вище, має бути не менше

,

де коефіцієнт визначаємо за графіком, приведеному на рис. 3.17.

Допоміжні величини А ' і В ' знаходимо за формулами:

де - допустиме напруження при циклічних навантаженнях. У даному прикладі навантаження при розрахунку на міцність умовно можна вважати однократним. Тоді

Коефіцієнт

Рис. 3.17. Графік

 

3.4. Мінімальна товщина трубної решітки

3.5. Осьове зусилля в кожусі

При негативних значеннях F необхідний розрахунок на стійкість по ГОСТ 14249—89.

3.6. Осьове зусилля в трубі

де коефіцієнти

3.7. Перевірку міцності труб і міцності кріплення труб в решітці проводимо за умовами міцності.

Умова міцності труб

Труби перевіряють на стійкість при від’ємних значеннях .

3.8. Умова міцності кріплення труб в решітці

де - допустимі навантаження на з'єднання труби з решіткою для випадку розвальцьовування;

- глибина розвальцьовування труб в решітці, м;

- допустиме навантаження на одиницю умовної поверхні з'єднання труби з решіткою для труб, завальцьованих в пази.

4. Характеристики прокладок, які використовуються в теплообмінному обладнанні наведені в таблиці 3.3.

Таблиця 3.3

Характеристики плоских прокладок

Матеріал прокладки	Прокладочний коефіцієнт m	Тиск на прокладку, МПа	Модуль пружності Еп, МПа
q0	q0min	[ q ]
мяка гума, гумовий лист	0,5	3,5
тверда гума	1,2		4,5

продовження табл. 3.3

Пароніт, h≥1 мм	2,5				2·10^3
Фторопласт h=1…3 мм	1,4				2·10^3
Мідь мяка	2,4-4,7				(1,1…1,2)·10^5

 

Питання для самоконтролю

1. Вимоги до проектування.

2. Рекомендації до виконання розрахунків.

3. Послідовність перевірочного розрахунку.

4. Послідовність конструкторського розрахунку.

5. Вибір схеми руху теплоносіїв.

6. Визначення коефіцієнта теплопередачі.

7. Вибір швидкості теплоносіїв.

8. Вибір типу і конструкції теплообмінного обладнання.

9. Визначення напору насоса для теплообмінного апарата.

10. Формула для визначення потужності вентилятора, який подає повітря в теплообмінний апарат.

11. Які пристрої приймаються для зменшення товщини трубної решітки?

12. Методи розрахунку на міцність.

13. Конструкції фланців, які застосовуються в теплообмінних апаратах.

14. Конструкції днищ і кришок, які використовуються в теплообмінних апаратах.

15. Способи зменшення металоємності теплообмінного обладнання.

16. Прийоми інтенсифікації процесу теплообміну.

17. Інтенсифікація теплообміну у кожухотрубних апаратах.

18. Конструкції оребрення теплообмінної поверхні.

19. Способи турбулізації потоку.

20. Вплив швидкості і напряму течії пари на теплообмін.

Контрольна тестова програма