Кожухотрубный теплообменник

 

Вертикальный аппарат располагаем  на боковых подвесных опорных лапах (рисунок 2.8).

Размеры опорных лап принимают с учетом ГОСТ 26296-84.Расчетную нагрузку, воспринимаемую опорой аппарата, определяют по максимальной силе тяжести в условиях эксплуатации или гидравлического испытания (при заполнении аппарата водой) с учетом возможных дополнительных внешних нагрузок от силы тяжести трубопроводов, арматуры и т.д. Вес аппарата (с жидкостью) делится на число лап, и по допустимой нагрузке на опору выбирают ее основные размеры.

 

Рисунок 2.8 – Боковая подвесная опорная лапка

 

Определим объем воды и конденсата в аппарате:

     (2.7)

где - внутренний диаметр теплообменных труб, м;

      - высота теплообменных труб, м;

        - количество теплообменных труб в трубной решетке, шт.

    (2.8)

где - наружный диаметр теплообменных труб, м;

     - внутренний диаметр кожуха, м;

Определим массу воды и конденсата в аппарате:

    (2.9)

     (2.10)

Масса аппарата с учетом воды и  конденсата:

    (2.11)

где - масса аппарата.

Вес аппарата с учетом воды и конденсата:

    (2.12)

Допускаемая нагрузка на одну опорную  лапу:

    (2.13)

где - число опорных лап.

По [1, табл. 2.13] выбираем основные размеры боковых подвесных опорных лап:

При

 

 

3. Гидравлический расчет

 

Рисунок 3.1 – Схема трубопровода

 

Вода насосом 1 перекачивается из резервуара 2 через теплообменник в аппарат 4. Вода нагревается в теплообменнике от t_н=18 °С до t_к=37 °С насыщенным водяным паром под давлением 0,1 МПа. Давление воды в аппарате р_а=0,18 МПа. Давление в резервуере атмосферное. Расход воды м³/с.

Вода подается по трубопроводу длиной .( ) Длина трубопровода от насоса до теплообменника , от теплообменника до замочного чана , максимальная высота подъема воды .

 

3.1. Выбор теплофизических характеристик  перекачиваемой жидкости 

 

Так как на рассматриваемых участках трубопровода температура имеет  разные величины, то соответственно выбираем значения динамической вязкости и плотности для найденных температур (таблица 3.1).

 

Таблица 3.1 – теплофизические характеристики перекачиваемой жидкости

Характеристика	Температура, ºС
	18	27,5	37
Кинематическая вязкость , м2/с	1,07	0,86	0,705
Плотность ρ, кг/м3	998,4	996,5	993,2

 

3.2 Разбивка трубопровода на участки

 

Трубопровод состоит из всасывающей  и напорной линий (рис. 3.1).

Всасывающая линия – трубопровод  от резервуара 2 до насоса 1, по которому поступает вода с температурой t_н=18 ºС.

Напорная линия:

– участок трубопровода от насоса 1 до теплообменника 3 с t_н=18 ºС;

– теплообменник 3, в котором температура  воды повышается от t_н=18 ºС до t_к=37 ºС, в котором средняя температура равна t_ср=27,5ºС;

– участок напорного трубопровода от теплообменника 3 до аппарата 4 с температурой t_к=37 ºС.

 

3.3 Уточнение объемных расходов  жидкости, протекающей через различные участки трубопровода

 

В связи с тем, что температура  в теплообменнике изменилась, производим уточнение объемного расхода  жидкости с учетом разницы плотностей по следующей формуле

,     (3.1)

где V – заданный расход воды, м³/с;

     ρ_н , ρ_к – начальная и конечная плотность воды, кг/м³.

На всасывающем и  напорном участке от резевууара до теплообменника плотность оставалась постоянной, т.е.

V₁=V₂=V=0,123 м³/с

В теплообменнике температура повышается, следовательно, изменяется объемный расход воды, проходящей через теплообменник

.

Напорный участок трубопровода от теплообменника до аппаратов  объемный расход воды равен по формуле (2.1)

.

 

3.4 Определение геометрических характеристик участков трубопровода, скоростей и режимов движения жидкости в ней

 

Диаметры всасывающего и напорного  трубопроводов определяются из уравнения  расхода по следующей формуле

      (3.2)

где – средняя скорость движения жидкости, м/с.

Скорость движения жидкости на всасывающем  участке трубопровода выбираем из интервала υ_вс=1,0-1,2 м/с, примем υ_вс=1,0 м/с, по формуле (3.2) определяем диаметр всасывающего трубопровода

Скорость движения жидкости на напорном участке трубопровода от насоса до теплообменника выбираем из интервала  υ_вс=1,5-2,0 м/с, примем υ_вс=2,0 м/с, по формуле (3.2) определяем диаметр напорного трубопровода

Так как для изготовления трубопровода используются стандартные трубы, то расчетные диаметры всасывающего и  напорного трубопроводов необходимо округлить до ближайшего размера  по государственному стандарту. Учитывая характеристики среды, выбираем по ГОСТ 8734-75 для всасывающего участка трубопровода бесшовную трубу из стали 20 Ø 426х12 d_вс=0,402 м, для напорного участка трубопровода бесшовную трубу из стали 20 Ø 325х18 d_н=0,289 м, эквивалентная шероховатость труб К_экв=0,2 мм.

Уточним скорости движения воды в трубопроводе по следующей формуле

,     (3.2)

где V – объемного расхода жидкости в теплообменнике, м³/с;

     d – внутренний диаметр труб, м;

Всасывающий участок трубопровода

Напорный участок трубопровода от насоса до теплообменника

Напорный участок трубопровода от теплообменника до аппарата

Для установления режима движения жидкости внутри трубок теплообменника необходимо рассчитать число Рейнольдса

     (3.3)

где - скорость движения жидкости в трубе, м/с;

       d – внутренний  диаметр трубок, м;

       µ - динамическая  вязкость воды, Па·с.

Участок всасывающего трубопровода, t_н=18 ºС

Режим движения жидкости турбулентный.

Напорный участок трубопровода от насоса до теплообменника, t_н=18 ºС

Режим движения жидкости турбулентный.

Теплообменник, t_т=27,5 ºС

Режим движения жидкости турбулентный.

Напорный участок трубопровода от теплообменника до аппарата, t_к=37 ºС

Режим движения жидкости турбулентный.

 

3.5 Расчет сопротивления сети трубопроводов и аппаратов, включенных в них

Различают два вида потерь напора: потери по длине и потери в местных сопротивлениях.

Полное гидравлическое сопротивление  на каждом из участков (в м),

h=h_тр+h_м.с.      (3.4)

где h_тр – потери по длине, м;

     h_м.с. – потери в местных сопротивлениях, м.

Сопротивление трения определим по формуле Дарси-Вейсбаха

h_тр= ,     (3.5)

где l – гидравлический коэффициент трения;

       L – длина трубопровода, м;

       d – внутренний диаметр теплообменных труб, м;

       υ – скорость  потока теплоносителя в теплообменнике  м/с;

      g – ускорение свободного падения, м/с²; g=9,81 м/с²,

Для определения l необходимо уточнить, являются ли выбранные трубы шероховатыми или гидравлически гладкими. Для этого сравним абсолютную шероховатость D (м) и толщину вязкого подслоя d (м).

Абсолютную шероховатость D определим по формуле

D=      (3.6)

где К_экв – эквивалентная шероховатость выбранных труб, м, принимаем , тогда

D=

м

Толщину вязкого подслоя d определяем по формуле

    (3.7)

где Re – число Рейнольдса,

        l_гл – значение гидравлического коэффициента трения для гидравлически гладких труб.

При 4000 < Re < 10⁵ значение гидравлического коэффициента трения для гидравлически гладких труб определяется по формуле Блазиуса

.     (3.8)

При Re>10⁵ значение гидравлического коэффициента трения для гидравлически гладких труб определяется по формуле по формуле Конакова

 

     (3.9)

Для определения λ необходимо проверить выбранные трубы на шероховатость, сравнив абсолютную шероховатость ∆ и толщину вязкого подслоя δ. Если δ>∆, то трубы считаются гидравлически гладкими, если же δ<∆, то трубы считаются гидравлически шероховатыми и необходим пересчет значения коэффициента гидравлического трения по формуле Френкеля

    (3.10)

Местное сопротивление h_м.с. определяем по формуле Дарси-Вейсбаха

,     (3.11)

где Sx – сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Всасывающий участок  трубопровода

Определяем значение гидравлического  коэффициента трения для гидравлически гладких труб по формуле (3.9), Re= >10⁵

Рассчитываем значение толщины  вязкого подслоя о формуле (3.7)

Так как D>d, приходим к выводу, что трубы теплообменника являются гидравлически шероховатыми и необходим пересчет коэффициента гидравлического сопротивления по формуле Френкеля.

следовательно, λ=0,02.

На всех остальных  участках трубопровода будем считать трубы гидравлически гладкими. По формуле Дарси-Вейсбаха (3.5)

На рассматриваемом  участке трубопровода 2 местных сопротивления: вход в трубопровод и поворот  под углом 90⁰ (ξ_вх=1, ξ_пов=0,5)

Потери напора в  местных сопротивлениях по (3.11)

Суммарные потери напора на всасывающем участке  составят по формуле (3.4)

h_вс=h_l+h_мс=0,019+0,072=0,091 м.

Напорный участок трубопровода от насоса до теплообменника

Определяем значение гидравлического  коэффициента трения для гидравлически гладких труб по формуле (3.9), Re= >10⁵

Рассчитываем значение толщины  вязкого подслоя о формуле (3.7)

Так как D>d, приходим к выводу, что трубы теплообменника являются гидравлически шероховатыми и необходим пересчет коэффициента гидравлического сопротивления по формуле Френкеля.

следовательно, λ=0,021.

На рассматриваемом  участке трубопровода потери по длине  составляют по формуле (3.5)

На рассматриваемом  участке трубопровода 2 местных сопротивления: 2 поворота под углом 90⁰ (ξ_пов=0,5)

Потери напора в  местных сопротивлениях по (3.11)

Суммарные потери напора на напорном участке от насоса до теплообменника равны

h_н'=h_l +h_мс=0,105+0,18=0,285 м.

Теплообменник

Определяем значение гидравлического  коэффициента трения для гидравлически гладких труб по формуле (3.8), 4000<Re=18588<10⁵

Рассчитываем значение толщины  вязкого подслоя о формуле (3.7)

Так как D>d, приходим к выводу, что трубы теплообменника являются гидравлически шероховатыми и необходим пересчет коэффициента гидравлического сопротивления по формуле Френкеля.

следовательно, λ=0,048.

Потери напора воды теплообменнике по длине составляют по формуле (3.5)

где z – число ходов теплообменников, шт, z=1 шт.;

L_c – длина одной трубки, м, L_c=4 м.

Расчет потерь напора в местных сопротивлениях теплообменника

Для расчета потерь напора в местных  сопротивлениях теплообменника необходимо вычислить площади сечения штуцеров, распределительной коробки и площадь поперечного сечения труб одного хода и рассчитать коэффициенты местных сопротивлений.

Для определения площади сечения штуцера, примем диаметр штуцера равным диаметру напорного трубопровода, т. е.

      (3.12)

 м².

Площадь сечения распределительной  коробки одного хода теплообменника

,     (3.13)

где D – внутренний диаметр кожуха, м.

 м².

Площадь сечения труб одного хода теплообменника f_x=0,1611 м².

Коэффициенты местных  сопротивлений в теплообменнике:

– при входе потока жидкости через  штуцер в распределительную коробку  (внезапное расширение)

     (3.14)

– при выходе потока жидкости из распределительной  коробки в теплообменные трубки первого хода (внезапное сужение)

;     (3.15)

.