Кожухотрубный теплообменник

Page 1

5
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
5
Введение
Практически во всех современных аппаратах химической и пищевой тех-
нологии используются процессы теплообмена. Постоянное наращивание единич-
ных мощностей и расширение производства обусловливают существенную эко-
номию дорогостоящих и дефицитных конструкционных материалов, идущих на
изготовление теплообменной аппаратуры, поскольку капиталовложения, прихо-
дящиеся на аппаратуру, на отечественном предприятии достигают 40 % от стои-
мости всего технологического оборудования.
Теплообменные аппараты в зависимости от процесса передачи теплоты от
одной среды к другой делятся на смесительные и поверхностные. В смесительных
аппаратах теплообмен осуществляется путем перемешивания горячих и холодных
жидких или газообразных веществ, в поверхностных – между твердой стенкой и
омывающим теплоносителем. Процесс теплообмена может протекать в однофаз-
ной среде или при изменении агрегатного состояния теплоносителя.
Поверхностные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные. В
рекуперативных тепло передается от горячего теплоносителя к холодному через
твердую стенку, в регенеративных та же поверхность периодически омывается то
горячей то холодной жидкостью или газом.
В современных технологических установках различных химических и пи-
щевых производств превалирующую роль играют стационарные процессы кон-
вективного теплопереноса [1].

---

Page 2

6
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
6
1 Тепловой расчёт теплообменника
Из основного уравнения теплопередачи определяем площадь подогревате-
ля
,
/
ср
t
k
Q
F
D×
=
(1.1)
где F – площадь теплопередающей поверхности, м
2
;
Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;
k – коэффициент теплопередачи, Вт/ (м
2 .
К);
ср
tD
- средний температурный напор, К,
1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата
Для обогрева теплообменных аппаратов в качестве горячих теплоносите-
лей в пищевой и химической промышленности используют водяной пар, пары ор-
ганических веществ и жидких теплоносителей.
Неизвестные расходы или температура теплоносителей, а также потери те-
плоты в окружающую среду определяют из уравнения теплового баланса
,Q
×
×
+
×
=
+
=
к
к
п
II
I
п
G
с
r
G
Q
Q
Q
(1.2)
где Q
I
– количество теплоты, необходимое для конденсации пара, Вт,
Q
II
– количество теплоты, необходимое для охлаждения конденсата, Вт,
D – расход пара, кг/с;
r – скрытая теплота конденсации пара, Дж/кг;
с - средняя удельная теплоемкость конденсата, Дж/(кг
.
К);
Θ – разность температур, на которую охлаждается конденсат, К
При р=0,1 МПа r=2260 кДж/кг, Т
н
=100
о
С
кВт
Q
4,
10257
17
19
,4
4,
4
2260
4,
4
=
×
×
+
×
=

---

Page 3

7
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
7
1.2. Определение расхода охлаждающей воды
Расход охлаждающей воды определим из уравнения 1.3 [1, с.11]
(
)
,x
t
t
C
G
Q
н
к
в
в
в
×
-
×
=
(1.3)
где G
в
и C
в
– массовый расход и средняя удельная теплоемкость холодного тепло-
носителя (воды), кг/с и Дж/(кг
.
К);
t
к
, t
н
– конечная и начальная температура воды, К;
x=1,03 – 1,05 - коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую
среду.
Средняя температура воды
С
t
t
t
о
ср
5,
27
2
37
18
2
2
1
2
=
+
=
+
=
(1.4)
Этому значению температуры воды соответствует
(
)
(
)
К
кг
Дж
К
кг
кДж
c
в
×
=
×
=
5,
4182
18
,4
3
/
5,
996
м
кг
=
r
Из формулы (1.3) следует, что
с
м
x
t
t
с
Q
V
в
/
123
,0
05
,1
)
18
37
(
5,
4182
5,
996
10257400
)
(
3
1
2
2
=
×
-
×
×
=
×
-
×
×
=
r
1.3 Определение температурного режима процесса
Цель расчета – определение средней разности температур
срI
tD
и t
срII
теп-
лоносителей.
Для этого нужно установить характер изменения температур теплоносите-
лей и выбрать схему их движения с учетом обеспечения наибольшей средней раз-

---

Page 4

8
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
8
ности температур, наилучшего использования теплоты рабочих сред и создания
наиболее благоприятных условий теплопередачи.
Определим температуру охлаждающей воды, до которой она нагревается
при конденсации пара.
)
(
t
t
c
G
r
G
Q
к
в
в
п
I
-
×
×
=
×
=
6,
18
05
,1
18
,4
123
,0
5,
996
2260
4,
4
37
=
×
×
×
×
-
=
×
×
-
=
в
в
п
к
c
G
r
G
t
t
Для определения среднего температурного напора
ср
tD
в случае прямотока
и противотока рекомендуется следующая схема расчета
1) для I секции (конденсация пара)
T
1
=100
о
С
пар
Т
2
=100
о
С
(1.5)
t
1
=37
о
С
вода
t
2
=18,6
о
С
С
t
T
t
о
м
63
37
100
1
1
=
-
=
-
=
D
С
t
T
t
о
б
6,
81
5,
18
100
2
2
=
-
=
-
=
D
Поскольку отношение
3,
1
63
6,
81
=
=
D
D
м
б
t
t
<2, применяем для расчета среднего
температурного напора следующую формулу
С
t
t
t
о
м
б
ср
3,
72
2
63
6,
81
2
=
+
=
D
+
D
=
D
Определяем средние температуры теплоносителей:
Средняя температура пара
,
1
н
ср
Т
t =
(1.6)
,
100
1
C
t
О
ср
=

---

Page 5

9
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
9
Средняя температура воды
,
1
2
ср
ср
ср
t
t
t
D
-
=
(1.7)
С
t
о
ср
7,
27
3,
72
100
2
=
-
=
2) для II секции (охлаждение конденсата)
T
1
=100
о
С
конденсат
Т
2
=83
о
С
t
1
=18,6
о
С
вода
t
2
=18
о
С
С
t
T
t
о
б
4,
81
6,
18
100
1
1
=
-
=
-
=
D
С
t
T
t
о
м
65
18
83
2
2
=
-
=
-
=
D
Поскольку отношение
25
,1
65
4,
81
=
=
D
D
м
б
t
t
<2, применяем для расчета средне-
го температурного напора следующую формулу
С
t
t
t
о
м
б
ср
2,
73
2
65
4,
81
2
=
+
=
D
+
D
=
D
Определяем средние температуры теплоносителей:
Средняя температура охлаждающей воды
С
t
t
t
о
ср
3,
18
2
18
6,
18
2
2
1
2
=
+
=
+
=
Средняя температура конденсата
С
t
t
t
о
ср
ср
ср
5,
91
2,
73
3,
18
,
2
1
=
+
=
D
+
=
1.4 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей

---

Page 6

10
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
10
Теплофизические свойства теплоносителей определяются при их средних
температурах и заносим в таблицу 1.
Таблица 1 – Теплофизические свойства теплоносителей
Пространство и
процесс
Физические величины
Обо-
зна-
че-
ние
Числовые
значения
Ссылка на
источник
1
2
3
4
5
Средняя температура,
о
С
t
ср1
100
Плотность кг/м
3
ρ
1
958
Удельная теплоемкость,
(
)
К
кг
Дж
×
/
c
1
4230
Теплопроводность,
(
)
К
м
Вт
×
/
λ
1
0,683
Динамическая вяз-
кость,
с
Па×
μ
1
282·10
-6
Кинематическая вяз-
кость, м
2
/с
ν
1
0,295·10
-6
Межтрубное
пространство,
конденсация
пара
Число Прандтля
Рr
1
1,75
Средняя температура
теплоносителя,
о
С
t
ср2
27,7
Плотность, кг/м3
ρ
2
996,46
Удельная теплоемкость,
(
)
К
кг
Дж
×
/
c
2
4182,3
Теплопроводность,
(
)
К
м
Вт
×
/
λ
2
0,6136
Динамическая вяз-
кость,
с
Па×
μ
2
849,1·10
-6
Кинематическая вяз-
кость, м
2
/с
ν
2
0,856·10
-6
I
секция
Трубное про-
странство, на-
гревание воды
Число Прандтля
Рr
2
5,79
[1,
Приложение
А
]

---

Page 7

11
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
11
Продолжение табл. 1
Средняя температура,
о
С
t
ср1
91,5
Плотность кг/м
3
ρ
1
963,95
Удельная теплоемкость,
(
)
К
кг
Дж
×
/
c
1
4196
Теплопроводность,
(
)
К
м
Вт
×
/
λ
1
0,6805
Динамическая вяз-
кость,
с
Па×
μ
1
310,1·10
-6
Кинематическая вяз-
кость, м
2
/с
ν
1
0,3214·10
-6
Межтрубное
пространство,
охлаждение
конденсата
Число Прандтля
Рr
1
1,92
Средняя температура
теплоносителя,
о
С
t
ср2
18,3
Плотность, кг/м3
ρ
2
998,34
Удельная теплоемкость,
(
)
К
кг
Дж
×
/
c
2
4190
Теплопроводность,
(
)
К
м
Вт
×
/
λ
2
0,5949
Динамическая вяз-
кость,
с
Па×
μ
2
1052,7·10
-6
Кинематическая вяз-
кость, м
2
/с
ν
2
1,061·10
-6
II
секция
Трубное про-
странство, на-
гревание воды
Число Прандтля
Рr
2
7,45
[1,
Приложение
А
]
1.5 Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата.
Для ориентировочного расчета площади поверхности аппарата принимаем
ориентировочный коэффициент теплопередачи для I секции К=1000 Вт/(м
2.
К) и
для II секции К=1000 Вт/(м
2.
К).
Ориентировочную площадь поверхности аппарата рассчитываем по фор-
муле
,
)
(
)
(
II
ср
II
II
I
ср
I
I
t
K
Q
t
K
Q
F
D
×
+
D
×
=
(1.8)
где Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

---

Page 8

12
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
12
К – принятый коэффициент теплопередачи, Вт/ (м
2.
К);
ср
tD
- средний температурный напор,
о
С.
2
8,
141
2,
73
1000
313412
3,
72
1000
9944000
м
F
=
×
+
×
=
Для обеспечения высокой интенсивности теплообмена со стороны конден-
сата необходимо обеспечить турбулентный режим движения и скорость течения
воды в трубах аппарата
w
х
»
1,0 м/с [2, с. 13].
Для изготовления теплообменника выберем трубы стальные, бесшовные
диаметром Æ25×2 мм.
Необходимое число труб в аппарате n, обеспечивающее такую скорость,
определим из уравнения расхода
V=
2
4
вн
х
d
n
p
w
,
(1.9)
где
123
,0
=
V
м
3
/с – объемный расход воды;
d
вн
=0,021 м – внутренний диаметр теплообменных труб;
n – число труб в аппарате, шт.;
w
2
=1,0 м/с – скорость движения воды в трубах.
Из уравнения (1.9)
шт
d
V
n
вн
355
0,
1
021
,0
14
,3
123
,0
4
4
2
2
2
=
×
×
×
=
=
w
p
Такому числу труб в одном ходе
шт
n 355
»
и площади поверхности аппара-
та
2
8,
141 м
F =
по ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает одноходовой теплооб-
менник диаметром 800 мм, с числом труб 465, длинной теплообменных труб 4000
мм и площадью поверхности
2
146 м
F =
.
Проверим скорость движения воды в трубах аппарата.
Скорость жидкости в одной трубке

---

Page 9

13
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
13
x
х
f
V
=
2
w
(1.10)
где f
x
– площадь сечения трубок в ходе, м
2
.
n
d
f
вн
x
4
2
p
=
(1.11)
где d
вн
– внутренний диаметр труб теплообменника, м;
n – среднее число труб в ходе.
2
2
161
,0
465
4
021
,0
14
,3
м
f
x
=
×
×
=
.
с
м /
76
,0
161
,0
123
,0
2
=
=
w
.
Значение скорости находится в рекомендуемых пределах, поэтому выбор
конструкции аппарата закончен.
Так как теплоносители (конденсат водяного пара и вода) не являются агрес-
сивными, то для изготовления основных узлов и деталей (ГОСТ 15120-79) выби-
раем материалы по группе материального исполнения М1: кожух – В Ст3ст5
ГОСТ 14637-79; крышки – В Ст3ст5 ГОСТ 14637-79; трубы – сталь 10 ГОСТ
8733-87.
Коэффициент теплопроводности стали [2]:
(
)
К
м
Вт
ст
×
=
5,
46
l
1.6 Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента те-
плопередачи.
Приближенным расчетом называется расчет коэффициентов
a
и К по
формулам, не учитывающим влияние температуры стенки теплопередающей по-
верхности на интенсивность теплоотдачи.
1) I зона

---

Page 10

14
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
14
Критерий Рейнольдса для воды:
18730
10
8491
,0
46
,
996
021
,0
76
,0
Re
3
2
2
2
2
=
×
×
×
=
×
×
=
-
m
r
w d
Определим критерий Прандтля для воды:
79
,5
6136
,0
10
8491
,0
3,
4182
Pr
3
2
2
2
2
=
×
×
=
×
=
-
l
m
c
Критерий Нуссельта для воды:
25
,0
43
,0
8,
0
)
Pr
(Pr/
Pr
Re
021
,0
ст
l
Nu
×
×
×
×
=
e
(1.12)
Коэффициент
l
e
примем равным 1, полагая, что
50
/ >
э
d
L
. Ввиду того, что
температуры стенок со стороны водяного пара
1
ст
t
и воды
2
ст
t
пока неизвестны,
примем сомножитель
25
,0
)
Pr
(Pr/
ст
равным единице:
117
1
79
,5
18730
1
021
,0
43
,0
8,
0
2
=
×
×
×
×
=
Nu
Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке:
)
/(
3419
021
,0
6136
,0
117
2
2
2
2
/
2
К
м
Вт
d
Nu
×
=
×
=
×
=
l
a
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенкам трубок для
вертикальных трубок определяем по формуле [1,3,4].
2
1
1
1
1
3
3,78
;
пара
d n
н
D
r
a
l
m
×
×
=
× ×
×
(1.13)
где r - плотность, кг/м
3
;
l - коэффициент теплопроводности, Вт/(м
.
К);
n – общее количество труб в одном аппарате, шт., n=465;
m - коэффициент динамической вязкости, Па
.
с;
D
пара
- массовый расход пара, кг/с.
)
/(
5289
4,
4
10
282
465
025
,0
958
683
,0
78
,3
2
3
6
2
1
К
м
Вт
×
=
×
×
×
×
×
×
=
-
a
Термическое сопротивление стенки и загрязнений:

---

Page 11

15
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
15
å
×
×
=
+
+
=
-
Вт
К
м
r
ст
/
10
83
,3
5800
1
5,
46
002
,0
5800
1
2
4
Коэффициент теплопередачи:
)
/(
1157
3419
1
10
83
,3
5289
1
1
1
1
1
2
4
2
1
/
К
м
Вт
r
К
ст
I
×
=
+
×
+
=
+
+
=
-
å
a
a
Удельная тепловая нагрузка:
2
/
/
/
83627
3,
72
1157
м
Вт
t
K
q
ср
=
×
=
×
=
D
Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
2
/
9,
118
83627
/
9944000
/
м
q
Q
F
рI
=
=
=
1) II зона
Критерий Рейнольдса для воды:
15136
10
0527
,1
34
,
998
021
,0
76
,0
Re
3
2
2
2
2
=
×
×
×
=
×
×
=
-
m
r
w d
Определим критерий Прандтля для воды:
45
,7
6949
,0
10
0527
,1
4190
Pr
3
2
2
2
2
=
×
×
=
×
=
-
l
m
c
Критерий Нуссельта для воды:
25
,0
43
,0
8,
0
)
Pr
(Pr/
Pr
Re
021
,0
ст
l
Nu
×
×
×
×
=
e
Коэффициент
l
e
примем равным 1, полагая, что
50
/ >
э
d
L
. Ввиду того, что
температуры стенок со стороны водяного пара
1
ст
t
и воды
2
ст
t
пока неизвестны,
примем сомножитель
25
,0
)
Pr
(Pr/
ст
равным единице:
110
1
45
,7
15136
1
021
,0
43
,0
8,
0
2
=
×
×
×
×
=
Nu
Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке:
)
/(
3115
021
,0
5949
,0
110
2
2
2
2
/
2
К
м
Вт
d
Nu
×
=
×
=
l×
=
a
Определяющим размером для конденсата является наружный диаметр тру-
бок:

---

Page 12

16
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
16
м
d
1
025
,0
=
,
Скорость движения конденсата по трубам определим по расходу
c
гор
S
V
=
1
w
,
(1.12)
c
S - площадь проходного сечения межтрубного пространства, между перегород-
ками, м
2
.
с
м
061
,0
079
,0
95
,
963
/4
,4
1
=
=
w
Критерий Рейнольдса для конденсата:
2
2
2
2
Re
m
r
w
×
×
=
d
4730
10
3101
,0
95
,
963
025
,0
061
,0
Re
3
=
×
×
×
=
-
Определим критерий Прандтля для конденсата:
92
,1
6805
,0
10
3101
,0
4196
Pr
3
1
1
1
1
=
×
×
=
×
=
-
l
m
c
Критерий Нуссельта для конденсата:
25
,0
36
,0
6,
0
)
Pr
(Pr/
Pr
Re
4,
0
ст
Nu
×
×
×
×
=
j
e
,
(1.13)
7,
44
1
92
,1
4730
6,
0
4,
0
23
,
0
6,
0
1
=
×
×
×
×
=
Nu
Коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке:
)
/(
1217
025
,0
6805
,0
7,
44
2
1
1
1
/
1
К
м
Вт
d
Nu
×
=
×
=
×
=
l
a
Термическое сопротивление стенки и загрязнений:
å
×
×
=
+
+
=
-
Вт
К
м
r
ст
/
10
83
,3
5800
1
5,
46
002
,0
5800
1
2
4
Коэффициент теплопередачи:
)
/(
655
3115
1
10
83
,3
1217
1
1
1
1
1
2
4
2
1
/
К
м
Вт
r
К
ст
II
×
=
+
×
+
=
+
+
=
-
å
a
a

---

Page 13

17
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
17
Удельная тепловая нагрузка:
2
/
/
/
47977
2,
73
655
м
Вт
t
K
q
ср
=
×
=
D×
=
Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
2
/
5,
6
47977
/
313412
/
м
q
Q
F
рII
=
=
=
2
4,
125
5,
6
9,
118
м
F
F
F
рII
рI
р
=
+
=
+
=
Площадь выбранного теплообменника немного больше необходимой, но
для выполнения уточненного расчета оставим длину труб ранее выбранного в
ориентировочном расчете аппарата 4 м.
1.7 Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи. Окончательный вы-
бор теплообменного аппарата.
Уточненным называется расчет коэффициентов теплопередачи по форму-
лам и зависимостям, включающим температуру стенки.
Температуру стенки при этом рассчитываем методом последовательных
приближений исходя из того, что при установившемся процессе теплопередачи
q
1
= q
2
= q
ст
,
(1.14)
q
1
= a
1
(t
ср1
– t
ст1
) = a
1
Dt
1
,
(1.15)
q
2
= a
2
(t
ст2
– t
ст2
) = a
2
Dt
2
,
(1.16)
q
ст
=
ст1
ст2
ст
1
ст
2
ст
t -t
Δt
=
r +r +r Σr
a
2
(t
ст2
– t
ст2
) = a
2
Dt
2
,
(1.17)
1.7.1 Первое приближение
1) I зона
Для первого приближения задаемся значением температуры стенки со сто-
роны горячего теплоносителя
(t
ст1
)
I
= t
ср1
– q/a
1
(1.18)
где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м
2
.

---

Page 14

18
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
18
a
1
–коэффициент теплопередачи для горячего теплоносителя, Вт/(м
2.
К),
q = KDt
ср
,
(1.19)
(t
ст1
)
I
=100–(83627/5289)=84,2
о
С
С
t
t
t
о
I
ст
ср
пл
1,
92
2
2,
84
100
2
)1
(
1
=
+
=
+
=
Рассчитываем коэффициент теплоотдачи при конденсации насыщенного
пара на вертикальных трубах по формуле [1,3,4]:
4
1
2
3
1
1
15
,1
)
(
Н
t
r
g
ст
×
D×
×
×
×
×
=
m
r
l
a
,
(1.20)
Определим теплофизические свойства конденсата при температуре 92,1
о
С [3]
l
пл
=0,6806 Вт/м К;
r
пл
=963,53 кг/м
3
;
m
пл
=308,07×10
-6
Па×с;
С
t
t
t
о
ст
ср
ст
8,
15
2,
84
100
)
(
)
(
1
1
1
1
1
=
-
=
-
=
D
;
)
/(
4914
4
8,
15
10
07
,
308
10
2260
81
,9
53
,
963
6806
,0
15
,1
)
(
2
4
6
3
2
3
1
1
К
м
Вт
×
=
×
×
×
×
×
×
×
×
=
a
-
2
1
1
1
1
1
1
/
77638
8,
15
4914
)
(
)
(
)
(
м
Вт
t
q
ст
=
×
=
D
×
a
=
Температура поверхности стенки со стороны холодного теплоносителя:
å
×
-
=
ст
ст
ст
r
q
t
t
1
1
1
1
1
2
)
(
)
(
)
(
,
(1.21)
С
t
о
ст
5,
54
10
83
,3
77638
2,
84
)
(
4
1
2
=
×
×
-
=
-
Коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю
(a
2
)
I
=
Nuλ
d
,
(1.22)
Критерий Прандтля для воды при 54,5
о
С:
29
,3
653
,0
10
5135
,0
4180
Pr
3
2
2
2
1
=
×
×
=
×
=
-
ст
ст
ст
ст
c
l
m
Коэффициенты теплоотдачи для воды:
8,
134
)
29
,3
/
79
,5(
117
)
Pr
/
(Pr
)
(
)
(
25
,
0
25
,
0
1
2
2
1
2
=
×
=
×
=
ст
Nu
Nu

---

Page 15

19
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
19
)
/(
3938
021
,0
6136
,0
8,
134
)
(
)
(
2
2
2
2
2
1
2
К
м
Вт
d
Nu
×
=
×
=
×
=
l
a
м
Вт
t
t
q
ср
ст
/
105526
)7
,
27
5,
54
(
3938
]
)
[(
)
(
)
(
2
1
2
1
2
1
2
=
-
×
=
-
×
a
=
%
30
%
100
)
105526
77638
(
5,
0
105526
77638
%
100
))
(
)
((
5,
0
)
(
)
(
1
2
1
1
1
2
1
1
=
×
+
×
-
=
×
+
×
-
=
q
q
q
q
D
В первом приближении разница между (q
1
)
I
и (q
2
)
I
составляет более 5%,
поэтому переходим к расчету второго приближения.
1.7.2 Второе приближение
1) I зона
Для второго приближения рассчитываем значение температуры стенки со
стороны горячего теплоносителя
(t
ст1
)
II
=t
ср1
–(q
ср
)
I
/(a
1
)
I
(1.23)
где (q
ср
)
I
– средняя удельная тепловая нагрузка, Вт/м
2
;
(q
ср
)
I
=[(q
1
)
I
+(q
2
)
I
]/2
(q
ср
)
I
=[77638+105526]/2=91582 Вт/м
2
(α
1
)
I
– –коэффициент теплопередачи для горячего теплоносителя при первом при-
ближении, Вт/(м
2.
К),
(t
ст1
)
II
=100–(91582/4914)=81,4
о
С
С
t
t
t
о
II
ст
ср
пл
7,
90
2
4,
81
100
2
)1
(
1
=
+
=
+
=
Определим теплофизические свойства конденсата при температуре 90,7
о
С [3]
l
пл
=0,6802 Вт/м К;
r
пл
=964,51 кг/м
3
;
m
пл
=312,69×10
-6
Па×с;
С
t
t
t
о
ст
ср
ст
6,
18
4,
81
100
)
(
)
(
2
1
1
2
1
=
-
=
-
=
D
;
)
/(
4700
4
6,
18
10
69
,
312
10
2260
81
,9
51
,
964
6802
,0
15
,1
)
(
2
4
6
3
2
3
2
1
К
м
Вт
×
=
×
×
×
×
×
×
×
×
=
-
a

---

Page 16

20
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
20
2
2
1
2
1
2
1
/
87422
6,
18
4700
)
(
)
(
)
(
м
Вт
t
q
ст
=
×
=
×
=
D
a
å
×
-
=
ст
ст
ст
r
q
t
t
2
1
2
1
2
2
)
(
)
(
)
(
С
t
о
ст
9,
47
10
83
,3
87422
4,
81
)
(
4
2
2
=
×
×
-
=
-
Коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю
(a
2
)
II
=
Nuλ
d
(1.24)
Критерий Прандтля для воды при 47,9
о
С:
7,
3
64506
,0
10
57168
,0
4180
Pr
3
2
2
2
2
=
×
×
=
×
=
-
ст
ст
ст
ст
c
l
m
Коэффициенты теплоотдачи для воды:
9,
130
)7
,3
/
79
,5(
117
)
Pr
/
(Pr
)
(
)
(
25
,0
25
,0
2
2
2
2
2
=
×
=
×
=
ст
Nu
Nu
)
/(
3824
021
,0
6136
,0
9,
130
)
(
)
(
2
2
2
2
2
2
2
К
м
Вт
d
Nu
×
=
×
=
×
=
l
a
м
Вт
t
t
q
ср
ст
/
77236
)7
,
27
9,
47
(
3824
]
)
[(
)
(
)
(
2
2
2
2
2
2
2
=
-
×
=
-
×
a
=
%
12
%
100
)
77236
87422
(
5,
0
77236
87422
%
100
))
(
)
((
5,
0
)
(
)
(
1
2
1
1
1
2
1
1
=
×
+
×
-
=
×
+
×
-
=
q
q
q
q
D
Во втором приближении разница между (q
1
)
I
и (q
2
)
I
составляет более 5 %,
поэтому переходим к расчету второго приближения.
Расчет продолжаем, определяя t
ст1
графически по пересечениям линий
q
1
=f(t
ст1
) и q
2
=f(t
ст1
) на рисунке 1.1.

---

Page 17

21
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
21
(q
2
)
1
(q
1
)
2
(q
2
)
2
(q
1
)
1
(t
ñò1
)
2
(t
ñò1
)
1
(t
ñò1
)
3
t
ñò1
q
Рис 1.1
(t
ст1
)
III
=82,1
о
С
С
t
t
t
о
III
ст
ср
пл
05
,
91
2
1,
82
100
2
)1
(
1
=
+
=
+
=
Определим
теплофизические
свойства
конденсата
при
температуре
91,05
о
С [3]
l
пл
=0,6803 Вт/м К;
r
пл
=964,27 кг/м
3
;
m
пл
=311,54×10
-6
Па×с;
С
t
t
t
о
ст
ср
ст
9,
17
1,
82
100
)
(
)
(
3
1
1
3
1
=
-
=
-
=
D
;

---

Page 18

22
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
22
)
/(
4750
4
9,
17
10
54
,
311
10
2260
81
,9
27
,
964
6803
,0
15
,1
)
(
2
4
6
3
2
3
3
1
К
м
Вт
×
=
×
×
×
×
×
×
×
×
=
a
-
2
3
1
3
1
3
1
/
85018
9,
17
4750
)
(
)
(
)
(
м
Вт
t
q
ст
=
×
=
D
×
a
=
å
×
-
=
ст
ст
ст
r
q
t
t
3
1
3
1
3
2
)
(
)
(
)
(
С
t
о
ст
5,
49
10
83
,3
85018
1,
82
)
(
4
3
2
=
×
×
-
=
-
Критерий Прандтля для воды при 49,5
о
С:
58
3
6473
0
10
5544
0
4180
Pr
3
2
2
2
2
,
,
,
λ
μ
c
ст
ст
ст
ст
=
×
×
=
×
=
-
Коэффициенты теплоотдачи для воды:
9,
131
)
58
,3
/
79
,5(
117
)
Pr
/
(Pr
)
(
)
(
25
,0
25
,0
2
2
2
3
2
=
×
=
×
=
ст
Nu
Nu
)
/(
3855
021
,0
6136
,0
9,
131
)
(
)
(
2
2
2
3
2
3
2
К
м
Вт
d
Nu
×
=
×
=
l×
=
a
Вт/м
t
t
α
q
ср
ст
84044
)7,
27
5,
49
(
3855
]
)
[(
)
(
)
(
2
3
2
3
2
3
2
=
-
×
=
-
×
=
%
1,1
%
100
)
84044
85018
(
5,
0
84044
85018
%
100
))
(
)
((
5,
0
)
(
)
(
1
2
1
1
1
2
1
1
=
×
+
×
-
=
×
+
×
-
=
D
q
q
q
q
Дальнейшее уточнение
1
q ,
2
q и других величин не требуется, т.к. расхож-
дение между
1
q и
2
q не превышает 5 %.
Исправленные значения К, q,
1
ст
tD ,
2
ст
tD
:
Коэффициент теплопередачи
)
/(
1172
3855
1
10
83
,3
4750
1
1
2
4
К
м
Вт
К
×
=
+
×
+
=
-
Площадь поверхности аппарата рассчитываем по формуле
2
4,
117
3,
72
1172
9944000
м
F
I
=
×
=
F=117,4+6,5=123,9 м
2
С учетом запаса площади теплопередачи 10 % необходимо
F=123,9+12,4=136,3 м
2

---

Page 19

23
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
23
По ГОСТ 15118-79 для
одноходового
теплообменника: D=800 мм,
n=465 шт., F=146 м
2
, L=4 м.
1.8 Обозначение выбранного теплообменного аппарата.
1. Диаметр кожуха D=800 мм по ГОСТ 9617-76.
2. Тип аппарата ТНВ – теплообменник с неподвижными трубными решет-
ками вертикальный.
3. Условное давление в трубах и кожухе 1 МПа.
4. Исполнение по материалу – М1.
5. Исполнение по температурному пределу – 0 – обыкновенное.
6. Диаметр трубы – 25 мм.
7. Состояние поставки наружной трубы – Г – гладкая.
8. Длинна труб – 4 м.
9. Схема размещения труб – Ш – по вершинам равносторонних треуголь-
ников.
10. Число ходов – 1.
11. Группа исполнения – А.
Теплообменник
А
гр
Ш
Г
М
ТНВ
.
1
4
25
0
1
1
800
-
-
-
-
-
ГОСТ 15122-79

---

Page 20

24
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
24
2. Конструктивный расчет
2.1 Выбор конструкционных материалов при изготовлении аппарата
Материал выбирают по рабочим условиям в аппарате: температуре, давле-
ниям, химических свойствам теплоносителей и др. При выборе материала пользу-
емся рекомендациями [2, табл. 22] и ГОСТ 15199-79, 15120-79, 15121-79, в кото-
рых указаны материалы основных деталей в зависимости от группы материально-
го исполнения.
Группа материального исполнения – М1. Материал:
кожуха – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-79;
распределительной камеры и крышки – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-79;
трубы – сталь 10 ГОСТ 8733-87.
2.2 Выбор межтрубных перегородок, трубных решеток, способ размеще-
ния и крепления в них теплообменных труб и трубных решеток к кожуху
Трубная решетка представляет собой диск, в котором высверлены отвер-
стия под трубки, и служит вместе с трубками для разделения трубного и меж-
трубного пространств.
Для надежного крепления трубок в трубной решетке ее толщина должна
быть не менее
е
d
S
n
p
+
=
8
min
(2.1)
где е = 5 мм– прибавка для стальных трубных решеток;
d
n
=25 мм – наружный диаметр трубок
мм
S
p
8
5
8
25
min
=
+
=
Толщину трубной решетки выбираем в зависимости от диаметра кожуха
аппарата и условного давления в аппарате [1, табл.2.3]

---

Page 21

25
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
25
мм
S
р
39
=
Размещение отверстий в трубных решетках, их шаг регламентируется для
всех теплообменников ГОСТ 9929-82.
По [1, с. 46] определяем шаг при размещении труб по вершинам равносторон-
них треугольников: при d
n
=25 мм t=32 мм; отверстия под трубы в трубных решет-
ках и перегородках размещают в соответствии с ГОСТ 15118-79 [4, табл. 2.4].
Размещение отверстий в трубных решетках выбранного аппарата показано
на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Размещение отверстий в трубных решетках
Основные размеры для размещения отверстий под трубы 25х2 мм в труб-
ных решетках выбираем по [1, табл. 2.7], диаметр предельной окружности, за ко-
торой не располагают отверстия под трубы, - D
0
=788 мм, 2R=780 мм.
Число отверстий под трубы в трубных решетках и перегородкам по рядам:
Число отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках не
менее
по рядам
Диа-
метр
аппа-
рата,
D
вн
0
1 2 3 4
5
6 7
8 9 10
11
В решетке
800 23 24 23 24 23 22 19 20 19 18 17 12
465

---

Page 22

26
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
26
Отверстия в трубных решетках выполняем гладкими. По ГОСТ 15118-79
под трубы с наружным диаметром 25 мм установлен диаметр 25,5 мм.
Крепление в трубной решетке должно быть прочным, герметичным и
обеспечивать их легкую замену. Применяем для крепления труб способ разваль-
цовки с последующей отбортовкой (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 – Крепление труб в трубной решетке развальцовкой с отбор-
товкой
Конец трубы, вставленной с минимальным зазором в отверстие трубной
решетки, расширяется изнутри раскаткой роликами специального инструмента,
называемого вальцовкой.
В соответствии с ГОСТ 26-291-94 принимаем толщину стенки корпуса
S=6 мм.
2.3 Выбор конструктивной схемы поперечных перегородок и расстояния
между ними. Отбойники
Применяем внутренние поперечные перегородки с диаметрально чере-
дующимися в них сегментными средами для поддержания расстояния между тру-
бами (рисунок 2.3).
Диаметр отверстий для труб в перегородках 28 мм (ГОСТ 15118-79).
Максимальное расстояние между перегородками рекомендуется прини-
мать для диаметра труб 25 мм расстояние в 800 мм. Принимаем по [5, табл. 2.3]
расстояние между перегородками 500 мм. Количество перегородок равно

---

Page 23

27
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
27
n = 4000/500-1=7 шт. Минимальная толщина перегородки по [1, табл. 2.10] равна
8 мм.
Рисунок 2.3 – Конструктивная схема поперечных перегородок
Взаимное расположение поперечных перегородок фиксируют несколькими
стяжками между ними для придания жесткости и прочности трубному пучку. В
промежутке между перегородками на стяжки надеты распорные трубки. Число
стяжек принимаем в зависимости от диаметра аппарата [1, с. 59]:
диаметр стяжек – 16,
число стяжек – 6.
При входе среды (конденсата) в межтрубное пространство теплообменника
часто устанавливают отбойник, который защищает от местного износа трубы,
расположенные против входного штуцера (рисунок 2.4).
Рисунок 2.4 – Схема размещения отбойника
Отбойник выполняют в виде круглой пластины. Его размер должен быть
не меньше внутреннего диаметра штуцера D
1
, т.е. [2, с. 42]:

---

Page 24

28
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
28
(
)
мм
D
D
320
20
300
20
10
1
=
+
=
+
=
(2.2)
Отбойник не должен создавать излишнее гидравлическое сопротивление,
поэтому расстояние от внутренней поверхности корпуса до отбойника должно
быть [2, с. 42]:
мм
h
D
h
64
320
2,
0
,
2,
0
=
×
=
³
(2.3)
Расстояние “b” от отбойника до первой перегородки должно быть не менее
100 мм для беспрепятственного распределения входящего потока среды.
2.4 Выбор крышек и днищ аппарата
Крышки и днища теплообменных аппаратов выбираем в зависимости от
диаметра кожуха. Наиболее распространенной формой днищ и крышек является
эллиптическая форма с отбортовкой на цилиндр (рисунок 2.5).
Рисунок 2.5 – Днище цилиндрическое отбортованное
По [6, табл. 16.3] выбираем размеры днища эллиптического отбортованного
стального с наружными базовыми размерами (по ГОСТу 6533-68):
мм
h
мм
Н
мм
S
мм
D
y
d
d
н
25
,
200
,
6
,
800
=
=
=
=
Днище 800х6 – 25 ГОСТ 6533-68.

---

Page 25

29
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
29
Выбранное днище используем для изготовления входной и выходной кры-
шек аппарата. Крышку привариваем к обечайке распределительной камеры.
2.5 Расчет диаметров штуцеров, выбор фланцев, прокладок и крепежных
элементов
Присоединение трубопроводов к теплообменным аппаратам бывает разъ-
емным и неразъемным. Разъемное присоединение труб осуществляется при по-
мощи фланцевых резьбовых штуцеров. При диаметре трубопроводов более 10 мм
применяют фланцевые штуцеры.
Диаметр штуцера зависит от расхода и скорости теплоносителя [2, с. 46]
,S
V
×w
=
(2.4)
где V – объемный расход теплоносителя, м
3
/с;
w
- скорость движения теплоносителя в штуцере, м/с;
4
2
ш
d
S
p
=
- площадь поперечного сечения штуцера, м
2
.
Скорости движения теплоносителей в штуцерах выбирают по [2, табл. 4],
принимая несколько большими, чем в аппарате.
Диаметр штуцера:
м
V
d
ш
,
4
wp
×
=
(2.5)
Диаметр штуцеров для входа и выхода воды рассчитываем по уравнению
(2.5), принимая скорость движения воды в штуцерах равной 2,0 м/с.
Тогда:
м
d
ш
280
,0
14
,3
0,
2
123
,0
4
=
×
×
=
Принимаем d
ш
=300 мм.
Скорость конденсата в штуцере
с
м
к
/
5,
0
3,
0
=
w
, тогда

---

Page 26

30
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
30
м
d
к
108
,0
14
,3
5,
0
958
/4
,4
4
=
×
×
=
Принимаем d
к
=125 мм.
Диаметр штуцеров для пара рассчитываем по следующему уравнению,
принимая скорость движения пара в штуцерах равной из интервала 30-50 м/с.
p
w
r
ср
П
П
П
G
d
×
=
4
,
(2.6)
где
ср
w
- средняя скорость движения пара.
Получаем:
мм
d
П
422
,0
14
,3
40
758
,0
4,
4
4
=
×
×
×
=
.
Принимаем штуцера со стальными плоскими приваренными фланцами с
соединительным выступом по ГОСТ 1255-67 (тип 1 – рисунок 2.6).
Рисунок 2.6 – Фланец для штуцеров
По [6, табл. 21.6] выбираем по
y
D и
МПа
p
y
1
£
основные размеры фланцев:
фланец штуцера для ввода и вывода воды – фланец 300-1 ГОСТ 1255-67:
.;
12
,
20
,
24
,
440
,
400
,
300
шт
z
мм
d
мм
h
мм
D
мм
D
мм
D
б
ф
б
y
=
=
=
=
=
=
фланец штуцера для ввода и вывода пара – фланец 400-1 ГОСТ 1255-67:
.;
16
,
24
,
26
,
565
,
515
,
400
шт
z
мм
d
мм
h
мм
D
мм
D
мм
D
б
ф
б
y
=
=
=
=
=
=
;
фланец штуцера для ввода и вывода конденсата – фланец 125-1 ГОСТ

---

Page 27

31
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
31
1255-67:
.;
8
,
16
,
21
,
245
,
210
,
125
шт
z
мм
d
мм
h
мм
D
мм
D
мм
D
б
ср
б
y
=
=
=
=
=
=
Для присоединения крышек к корпусу аппарата используем тип 2 диамет-
ром 800 мм (рисунок 2.7).
Рисунок 2.7 – Фланец для аппарата
По [5, табл. 21.9] выбираем основные размеры фланцев для аппарата:
фланец 800-2 ГОСТ 1235-67:
.;
28
,
30
,
39
,
1010
,
905
,
950
1
шт
z
мм
d
мм
h
мм
D
мм
D
мм
D
б
ф
б
=
=
=
=
=
=
Прокладка – паронит ГОСТ 481-80.
2.6 Опоры аппарата
Вертикальный аппарат располагаем на боковых подвесных опорных лапах
(рисунок 2.8).
Размеры опорных лап принимают с учетом ГОСТ 26296-84.Расчетную на-
грузку, воспринимаемую опорой аппарата, определяют по максимальной силе тя-
жести 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.

---

Page 28

32
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
32
Рисунок 2.8 – Боковая подвесная опорная лапка
Определим объем воды и конденсата в аппарате:
,
4
2
n
h
d
V
вн
воды
×
×
p
=
(2.7)
где
вн
d - внутренний диаметр теплообменных труб, м;
h
- высота теплообменных труб, м;
n
- количество теплообменных труб в трубной решетке, шт.
,
4
4
2
2
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
×
-
=
n
d
D
h
V
н
вн
конд
p
(2.8)
где
н
d - наружный диаметр теплообменных труб, м;
вн
D - внутренний диаметр кожуха, м;
3
2
644
,0
465
4
4
021
,0
14
,3
м
V
воды
=
×
×
×
=
3
2
2
098
,1
465
4
025
,0
4
8,
0
4
14
,3
м
V
конд
=
÷
ø
ö
ç
è
æ
×
-
×
×
=
Определим массу воды и конденсата в аппарате:
воды
воды
воды
V
m
r
×
=
(2.9)
конд
конд
конд
V
m
r
×
=
(2.10)
кг
m
воды
642
46
,
996
644
,0
»
×
=

---

Page 29

33
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
33
кг
m
конд
1052
958
098
,1
»
×
=
Масса аппарата с учетом воды и конденсата:
(
)
,
конд
воды
конд
воды
ап
m
m
m
m
+
+
=
+
(2.11)
где
кг
m 3720
=
- масса аппарата.
(
)
кг
m
конд
смеси
ап
5414
1052
642
3720
=
+
+
=
+
Вес аппарата с учетом воды и конденсата:
(
)
(
)
g
m
G
конд
воды
ап
конд
воды
ап
×
=
+
+
(2.12)
(
)
H
G
конд
воды
ап
1
5311
81
,9
5414
=
×
=
+
Допускаемая нагрузка на одну опорную лапу:
(
)
,
n
G
F
конд
воды
ап
доп
+
=
(2.13)
где
n
- число опорных лап.
H
F
доп
13278
4
53111
=
=
По [1, табл. 2.13] выбираем основные размеры боковых подвесных опорных
лап:
При
:
25000 H
F
доп
=
кг
т
мм
d
мм
d
мм
R
мм
а
мм
а
мм
а
мм
s
мм
h
мм
Н
мм
b
мм
b
мм
В
мм
В
мм
В
мм
L
мм
L
мм
L
б
56
,6
,
20
,
24
,
12
,
40
,
40
,
25
,
8
,
20
,
230
,
90
,
22
,
115
,
110
,
155
,
130
,
160
,
140
2
1
1
2
1
2
1
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=

---

Page 30

34
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
34
3. Гидравлический расчет
h
â
ñ
H
í
l
âñ
l
í
Ð
ê
l
í1
Рисунок 3.1 – Схема трубопровода
Вода насосом 1 перекачивается из резервуара 2 через теплообменник
А
гр
Ш
Г
М
ТНВ
.
1
4
25
0
1
1
800
-
-
-
-
-
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. Давле-
ние воды в аппарате р
а
=0,18 МПа. Давление в резервуере атмосферное. Расход
воды
123
,0
=
V
м
3
/с.
Вода подается по трубопроводу длиной
н
вс
l
l
l
+
=
.(
м
l
м
l
н
вс
40
,
8
=
=
) Длина
трубопровода от насоса до теплообменника
м
l
н
8
=
¢
, от теплообменника до замоч-
ного чана
н
н
l
l
l
¢
-
=
, максимальная высота подъема воды
м
H 12
=
.
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).

---

Page 31

35
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
35
Таблица 3.1 – теплофизические характеристики перекачиваемой жидкости
Температура, ºС
Характеристика
18
27,5
37
Кинематическая вязкость
6
10
n
, м
2
/с
1,07
0,86
0,705
Плотность ρ, кг/м
3
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 кото-
рому 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 различ-
ные участки трубопровода
В связи с тем, что температура в теплообменнике изменилась, производим
уточнение объемного расхода жидкости с учетом разницы плотностей по сле-
дующей формуле
к
н
т
V
V
r
r
=
,
(3.1)
где V – заданный расход воды, м
3
/с;
ρ
н
, ρ
к
– начальная и конечная плотность воды, кг/м
3
.

---

Page 32

36
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
36
На всасывающем и напорном участке от резевууара до теплообменника
плотность оставалась постоянной, т.е.
V
1
=V
2
=V=0,123 м
3
/с
В теплообменнике температура повышается, следовательно, изменяется
объемный расход воды, проходящей через теплообменник
с
м
V
m
/
1232
,0
5,
996
4,
998
123
,0
3
=
×
=
.
Напорный участок трубопровода от теплообменника до аппаратов объ-
емный расход воды равен по формуле (2.1)
с
м
V
/
1236
,0
2,
993
4,
998
123
,0
3
3
=
×
=
.
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
pw
=
V
d
4
(3.2)
где
w
– средняя скорость движения жидкости, м/с.
Скорость движения жидкости на всасывающем участке трубопровода вы-
бираем из интервала υ
вс
=1,0-1,2 м/с, примем υ
вс
=1,0 м/с, по формуле (3.2) опреде-
ляем диаметр всасывающего трубопровода
м
d
вс
4,
0
0,
1
14
,3
0,123
4
=
×
×
=
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

---

Page 33

37
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
37
м
d
н
28
,0
0,
2
14
,3
0,123
4
=
×
×
=
Так как для изготовления трубопровода используются стандартные трубы,
то расчетные диаметры всасывающего и напорного трубопроводов необходимо
округлить до ближайшего размера по государственному стандарту. Учитывая ха-
рактеристики среды, выбираем по ГОСТ 8734-75 для всасывающего участка тру-
бопровода 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, эквива-
лентная шероховатость труб К
экв
=0,2 мм.
Уточним скорости движения воды в трубопроводе по следующей формуле
2
14
,3
4
d
V
×
×
=
w
,
(3.2)
где V – объемного расхода жидкости в теплообменнике, м
3
/с;
d – внутренний диаметр труб, м;
Всасывающий участок трубопровода
с
м
вс
/
97
,0
402
,0
14
,3
123
,0
4
2
»
×
×
=
w
Напорный участок трубопровода от насоса до теплообменника
с
м
н
/
88
,1
289
,0
14
,3
123
,0
4
2
1
=
×
×
=
w
Напорный участок трубопровода от теплообменника до аппарата
с
м
н
/
88
,1
289
,0
14
,3
1236
,0
4
2
2
=
×
×
=
w
Для установления режима движения жидкости внутри трубок теплообмен-
ника необходимо рассчитать число Рейнольдса
,
Re
m
r
w
×
×
=
d
(3.3)
где
w
- скорость движения жидкости в трубе, м/с;
d – внутренний диаметр трубок, м;

---

Page 34

38
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
38
µ - динамическая вязкость воды, Па·с.
Участок всасывающего трубопровода, t
н
=18 ºС
364430
10
07
,1
402
,0
97
,0
Re
6
=
×
×
=
-
Режим движения жидкости турбулентный.
Напорный участок трубопровода от насоса до теплообменника, t
н
=18 ºС
507776
10
07
,1
289
,0
88
,1
Re
6
=
×
×
=
-
Режим движения жидкости турбулентный.
Теплообменник, t
т
=27,5 ºС
18588
10
86
,0
021
,0
76
,0
Re
6
=
×
×
=
-
Режим движения жидкости турбулентный.
Напорный участок трубопровода от теплообменника до аппарата, t
к
=37 ºС
770667
10
705
,0
289
,0
88
,1
Re
6
=
×
×
=
-
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
=
g
d
L
2
2
u
l ×
,
(3.5)

---

Page 35

39
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
39
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/с
2
; g=9,81 м/с
2
,
Для определения l необходимо уточнить, являются ли выбранные трубы
шероховатыми или гидравлически гладкими. Для этого сравним абсолютную ше-
роховатость D (м) и толщину вязкого подслоя d (м).
Абсолютную шероховатость D определим по формуле
D=
7,
0
5,
0
экв
К
(3.6)
где К
экв
– эквивалентная шероховатость выбранных труб, м, принимаем
м
К
экв
3
10
2,
0
-
×
=
, тогда
D=
4
3
10
33
,3
6,
0
10
2,
0
-
-
×
=
×
м
Толщину вязкого подслоя d определяем по формуле
,
8
Re
6,
11
гл
вн
d
l
d
×
×
=
(3.7)
где Re – число Рейнольдса,
l
гл
– значение гидравлического коэффициента трения для гидравлически
гладких труб.
При 4000 < Re < 10
5
значение гидравлического коэффициента трения для
гидравлически гладких труб определяется по формуле Блазиуса
25
.0
Re
3164
,0
=
гл
l
.
(3.8)
При Re>10
5
значение гидравлического коэффициента трения для гидрав-
лически гладких труб определяется по формуле по формуле Конакова

---

Page 36

40
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
40
(
)
5,
1
Re
lg
8,1
1
-
×
=
гл
l
(3.9)
Для определения λ необходимо проверить выбранные трубы на шерохова-
тость, сравнив абсолютную шероховатость ∆ и толщину вязкого подслоя δ. Если
δ>∆, то трубы считаются гидравлически гладкими, если же δ<∆, то трубы счита-
ются гидравлически шероховатыми и необходим пересчет значения коэффициен-
та гидравлического трения по формуле Френкеля
ú
û
ù
ê
ë
é
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
D
-
=
9.
0
Re
81
,6
7,
3
lg
2
1
d
l
(3.10)
Местное сопротивление h
м.с.
определяем по формуле Дарси-Вейсбаха
g
h
с
м
×
×
S
=
2
2
.
.
w
x
,
(3.11)
где Sx – сумма коэффициентов местных сопротивлений.
Всасывающий участок трубопровода
Определяем значение гидравлического коэффициента трения для гидрав-
лически гладких труб по формуле (3.9), Re=
364430
>10
5
(
) (
)
014
,0
5,
1
364430
lg
8,
1
1
5,
1
Re
lg
8,
1
1
2
2
=
-
×
=
-
×
=
гл
l
Рассчитываем значение толщины вязкого подслоя о формуле (3.7)
м
d
гл
вн
4
10
08
,3
014
,0
8
364430
402
,0
6,
11
8
Re
6,
11
-
×
=
×
×
=
×
×
=
l
d
Так как D>d, приходим к выводу, что трубы теплообменника являются
гидравлически шероховатыми и необходим пересчет коэффициента гидравличе-
ского сопротивления по формуле Френкеля.
11
,7
364430
81
,6
402
,0
7,
3
10
33
,3
lg
2
Re
81
,6
7,
3
lg
2
1
9,
0
4
9.
0
=
ú
û
ù
ê
ë
é
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
×
×
-
=
ú
û
ù
ê
ë
é
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
-
=
-
d
D
l
следовательно, λ=0,02.

---

Page 37

41
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
41
На всех остальных участках трубопровода будем считать трубы гидравли-
чески гладкими. По формуле Дарси-Вейсбаха (3.5)
.
019
,0
81
,9
2
97
,0
402
,0
8
02
,0
2
2
2
м
g
d
l
h
вс
вс
вс
l
=
×
×
×
=
×
=
w
l
На рассматриваемом участке трубопровода 3 местных сопротивления:
вход в трубопровод и поворот под углом 90
0
и вентиль (ξ
вх
=0,2, ξ
пов
=0,5, ξ
вен
=5,5)
Потери напора в местных сопротивлениях по (3.11)
(
)
(
)
м
g
h
вс
ен
пов
вх
мс
297
,0
81
,9
2
97
,0
5,
5
5,
0
2,
0
2
2
2
=
×
×
+
+
=
×
×
+
+
=
w
x
x
x
Суммарные потери напора на всасывающем участке составят по формуле (3.4)
h
вс
=h
l
+h
мс
=0,019+0,297=0,316 м.
Напорный участок трубопровода от насоса до теплообменника
Определяем значение гидравлического коэффициента трения для гидрав-
лически гладких труб по формуле (3.9), Re=
507776
>10
5
(
) (
)
013
,0
5,
1
507776
lg
8,
1
1
5,
1
Re
lg
8,
1
1
2
2
=
-
×
=
-
×
=
гл
l
Рассчитываем значение толщины вязкого подслоя о формуле (3.7)
м
d
гл
вн
4
10
64
,1
013
,0
8
507776
289
,0
6,
11
8
Re
6,
11
-
×
=
×
×
=
×
×
=
l
d
Так как D>d, приходим к выводу, что трубы теплообменника являются
гидравлически шероховатыми и необходим пересчет коэффициента гидравличе-
ского сопротивления по формуле Френкеля.
91
,6
507776
81
,6
289
,0
7,
3
10
33
,3
lg
2
Re
81
,6
7,
3
lg
2
1
9,
0
4
9.
0
=
ú
û
ù
ê
ë
é
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
×
×
-
=
ú
û
ù
ê
ë
é
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
-
=
-
d
D
l
следовательно, λ=0,021.
На рассматриваемом участке трубопровода потери по длине составляют по
формуле (3.5)

---

Page 38

42
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
42
м
g
d
l
h
н
н
н
l
105
,0
81
,9
2
88
,1
289
,0
8
021
,0
2
2
2
=
×
×
×
=
×
=
w
l
На рассматриваемом участке трубопровода 3 местных сопротивления: 2
поворота под углом 90
0
и вентиль (ξ
пов
=0,5, ξ
вен
=5,5)
Потери напора в местных сопротивлениях по (3.11)
(
)
(
)
м
g
h
вс
вен
пов
мс
171
,1
81
,9
2
88
,1
5,
5
5,
0
2
2
2
2
2
=
×
×
+
×
=
×
×
+
=
w
x
x
Суммарные потери напора на напорном участке от насоса до теплообмен-
ника равны
h
н
'=h
l
+h
мс
=0,105+1,171=1,276 м.
Теплообменник
Определяем значение гидравлического коэффициента трения для гидрав-
лически гладких труб по формуле (3.8), 4000<Re=18588<10
5
027
,0
18588
3164
,0
Re
3164
,0
25
.0
25
.0
=
=
=
гл
l
Рассчитываем значение толщины вязкого подслоя о формуле (3.7)
м
d
гл
вн
4
10
25
,2
027
,0
8
18588
021
,0
6,
11
8
Re
6,
11
-
×
=
×
×
=
×
×
=
l
d
Так как D>d, приходим к выводу, что трубы теплообменника являются
гидравлически шероховатыми и необходим пересчет коэффициента гидравличе-
ского сопротивления по формуле Френкеля.
59
,4
18588
81
,6
021
,0
7,
3
10
33
,3
lg
2
Re
81
,6
7,
3
lg
2
1
9,
0
4
9.
0
=
ú
û
ù
ê
ë
é
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
×
×
-
=
ú
û
ù
ê
ë
é
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
-
=
-
d
D
l
следовательно, λ=0,048.
Потери напора воды теплообменнике по длине составляют по формуле (3.5)
м
g
d
z
L
h
l
269
,0
81
,9
2
76
,0
021
,0
1
4
048
,0
2
2
2
=
×
×
×
×
=
×
×
=
w
l
где z – число ходов теплообменников, шт, z=1 шт.;

---

Page 39

43
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
43
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 не-
обходимо вычислить площади сечения штуцеров, распределительной коробки и
площадь поперечного сечения труб одного хода и рассчитать коэффициенты ме-
стных сопротивлений.
Для определения площади сечения штуцера, примем диаметр штуцера
равным диаметру напорного трубопровода, т. е.
4
2
1
н
d
f
p
=
(3.12)
0656
,0
4
289
,0
14
,3
2
1
=
×
=
f
м
2
.
Площадь сечения распределительной коробки одного хода теплообменника
z
D
f
1
4
2
2
×
=
p
,
(3.13)
где D – внутренний диаметр кожуха, м.
5027
,0
1
1
4
8,
0
14
,3
2
2
=
×
×
=
f
м
2
.
Площадь сечения труб одного хода теплообменника f
x
=0,1611 м
2
.
Коэффициенты местных сопротивлений в теплообменнике:
– при входе потока жидкости через штуцер в распределительную коробку
(внезапное расширение)
2
2
1
1
1
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
-
=
f
f
z
(3.14)
76
,0
5027
,0
0656
,0
1
2
1
=
÷
ø
ö
ç
è
æ
-
=
z
– при выходе потока жидкости из распределительной коробки в теплооб-
менные трубки первого хода (внезапное сужение)

---

Page 40

44
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
44
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
-
=
z
2
2
1
5,
0
f
f
х
;
(3.15)
34
,0
5027
,0
1611
,0
1
5,
0
2
=
÷
ø
ö
ç
è
æ
-
=
z
.
– при выходе потока жидкости из теплообменных труб в распределитель-
ную коробку (внезапное расширение)
2
2
3
1
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
-
=
f
f
х
z
(3.16)
46
,0
5027
,0
1611
,0
1
2
3
=
÷
ø
ö
ç
è
æ
-
=
z
.
– при выходе потока жидкости из распределительной коробки через шту-
цер (внезапное сужение)
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
-
=
2
1
4
1
5,
0
f
f
z
(3.17)
43
,0
5027
,0
0656
,0
1
5,
0
4
=
÷
ø
ö
ç
è
æ
-
=
z
.
Для определения потерь напора в местных сопротивлениях теплообменни-
ка, необходимо уточнить скорость смеси в распределительных камерах теплооб-
менника
2
,
f
V
т
х
=
w
(3.18)
с
м
х
/
24
,0
5027
,0
1232
,0
=
=
w
.
– потери напора при входе жидкости в теплообменник из штуцера
м
g
h
х
вх
мс
4
2
2
1
.
10
3,
22
81
,9
2
24
,0
76
,0
2
-
×
=
×
×
=
×
×
=
w
x
– потери напора при входе потока жидкости из распределительной решет-
ки в первый ход теплообменника

---

Page 41

45
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
45
м
g
h
х
мс
4
2
2
2
2.
10
100
81
,9
2
76
,0
34
,0
2
-
×
=
×
×
=
×
×
=
w
x
– потери напора при выходе потока жидкости из теплообменных труб в
распределительную камеру
м
g
h
х
мс
4
2
2
3
3.
10
5,
13
81
,9
2
24
,0
46
,0
2
-
×
=
×
×
=
×
×
=
w
x
– потери напора при входе потока жидкости из распределительной камеры
в штуцер (3.14)
м
g
h
н
вых
мс
4
2
2
2
4
.
10
6,
774
81
,9
2
88
,1
43
,0
2
-
×
=
×
×
=
×
×
=
w
x
Потери в местных сопротивлениях теплообменника
м
h
h
h
h
h
вых
мс
мс
мс
вх
мс
т
мс
091
,0
10
)6
,
774
5,
13
100
3,
22
(
4
.
3
2
.
.
=
×
+
+
+
=
+
+
+
=
-
S
Суммарные потери напора в теплообменнике (3.7)
h
т
=h
тр т
+h
мс. т
=0,269+0,091=0,36 м.
Трубопровод от теплообменника до аппарата
Определяем значение гидравлического коэффициента трения для гидрав-
лически гладких труб по формуле (3.9), Re=
770667
>10
5
(
) (
)
012
,0
5,
1
770667
lg
8,
1
1
5,
1
Re
lg
8,
1
1
2
2
=
-
×
=
-
×
=
гл
l
Рассчитываем значение толщины вязкого подслоя о формуле (3.7)
м
d
гл
вн
4
10
12
,1
012
,0
8
770667
289
,0
6,
11
8
Re
6,
11
-
×
=
×
×
=
×
×
=
l
d
Так как D>d, приходим к выводу, что трубы теплообменника являются
гидравлически шероховатыми и необходим пересчет коэффициента гидравличе-
ского сопротивления по формуле Френкеля.
94
,6
770667
81
,6
289
,0
7,
3
10
33
,3
lg
2
Re
81
,6
7,
3
lg
2
1
9,
0
4
9.
0
=
ú
û
ù
ê
ë
é
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
×
×
-
=
ú
û
ù
ê
ë
é
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
-
=
-
d
D
l
следовательно, λ=0,021.

---

Page 42

46
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
46
На рассматриваемом участке трубопровода потери по длине составляют по
формуле (3.8)
h
l
=
g
d
l
н
н
2
2
1
w
l
×
=
м
419
,0
81
,9
2
88
,1
289
,0
32
021
,0
2
=
×
×
×
,
где
м
l
l
l
н
н
н
32
8
40
=
-
=
¢
-
=
На рассматриваемом участке трубопровода поворот под углом 90
0
и вен-
тиль.
Потери напора в местных сопротивлениях
м
g
h
н
вен
пов
мс
081
,1
81
,9
2
88
,1
)5,
5
5,
0(
2
)
(
2
2
=
×
×
+
=
×
×
+
=
w
x
x
Суммарные потери напора на напорном участке от теплообменника до за-
мочного чана составят по формуле (3.7)
h
н
=h
l
+h
мс
=0,419+1,081=1,5 м.
Таким образом, общие потери напора в насосной установке (сети) опреде-
ляются, как сумма потерь на всех участках трубопровода
∑h=h
вс
+h
н
'+h
т
+h
н
(3.19)
∑h=0,316+1,276+0,36+1,5=3,452 м.
3.6 Схема насоса, описание его устройства и
назначения основных узлов и деталей
Насосы типа Х – горизонтальные консольные одноступенчатые, с приводом
от двигателя через упругую муфту. Подвод перекачиваемой жидкости – горизон-
тально по оси насоса, отвод – вертикально вверх.
Основные детали насоса: корпус насоса, крышка корпуса, рабочее колесо,
узел уплотнении вала и корпус подшипников. Корпус насоса имеет опорные ла-
пы, которыми крепится к фундаментной плите, а корпус подшипников вспомога-
тельную опору со стороны муфты. В нижней части корпуса предусмотрено отвер-

---

Page 43

47
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
47
стие, закрытое пробкой, для слива рабочей жидкости из полости насоса перед его
длительной остановкой или разборкой.
Рабочее колесо закрытого типа закреплено па валу с помощью шпонки и
гайки. Для увеличения ресурса работы насоса в корпусе и крышке корпуса уста-
новлены сменные уплотнительные кольца. Зазор между уплотняющими кольцами
и уплотнительными поясками рабочего колеса препятствует перетоку перекачи-
ваемой насосом жидкости из области высокого давления и область низкого давле-
нии, что обеспечивает высокий КПД насоса и снижение гидравлических усилий
на ротор.
Насос имеет два варианта уплотнения вала: одинарное и двойное сальнико-
вое. Одинарное сальниковое уплотнение применяется при перекачивании жидко-
сти температурой до 358 К, (85 °С), двойное – при перекачивании жидкости тем-
пературой до 378 К (105 °С).
Для повышения ресурса работы насоса и предотвращения износа нала и зо-
не узла уплотнения на вал надета защитная втулка. Набивка сальника поджимает-
ся крышкой сальника.
Ротор насоса вращается в двух подшипниковых опорах, расположенных в
корпусе подшипников с консистентной смазкой. На корпусе в зоне размещения
подшипником под установку термопреобразователей сопротивления ТСМ-0П79
ТУ 25-02.792288-80 предусмотрены два отверстия для автоматического контроля
температуры подшипников. Сигнал от датчиков может быть выведен в систему
управлении технологическим процессом, в том числе па базе микропроцессорной
техники. Насос с двигателем устанавливаются на общей фундаментной плите.
3.7 Определение требуемого напора насоса и выбор марки насоса
Насос при работе должен сообщать жидкости, протекающей через него,
энергию необходимую для ее подъема на определенную высоту, на преодоление
разности давлений в накопительной емкости, гидравлических сопротивлений в

---

Page 44

48
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
48
трубопроводах и аппаратах. Требуемый напор насоса определим по следующей
формуле
å
+
×
-
+
+
=
h
g
Р
P
h
Н
H
т
н
вс
тр
r
0
)
(
(3.20)
где Н – высота подъема жидкости, Н=12 м;
h
вс
– величина подпора жидкости, h
вс
=0 м;
P
н
-Р
0
– разность давления в резервуарах, Па;
∑h – общие потери в сети трубопровода и включенных в него аппаратов, м
м
H
тр
24
62
,
23
452
,3
81
,9
4,
998
10
)1,
0
18
,0(
)0
12
(
6
»
=
+
×
×
-
+
+
=
По найденному требуемому напору Н
тр
=22 м и заданной подаче
V=0,123 м
3
/с в ряду характеристик V-H насосов типа Х определяем марку насоса,
соответствующую этим параметрам.
Основные технические характеристики выбранного насоса приведены в
таблице 3.2.
Таблица 3.2 Основные технические характеристики насоса АХ 250-200-315
Типо
размер насоса
Обозна
чение об
точки ра
бо
-
чего колеса
Подач
а
,
м
3
/ч
(
л/с
)
Напор
,
м
Допускаемый кавитацион
-
ный запас
,
м
,
не более
Частота вращения с
-1
(
мин
-1
)
Мощность насоса
(
при пло
т
-
ности
1000
кг/м
3
)
кВт
КПД насоса
, %
не менее
Масса насос
а
,
кг
Номер технических
условий
АХ
250-
200-315
-
500
(139)
25 6
1450 64
68 450
ТУ
26-66-
1469-86

---

Page 45

49
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
49
3.8 Построение характеристик насоса и трубопровода. Определение рабо-
чей точки насоса
Характеристика трубопровода – это зависимость требуемого напора от по-
дачи. Она может быть засчитана по формуле
H
тр
=Н
ст
+bV
2
(3.21)
где b – коэффициент пропорциональности, зависящий от условий эксплуатации
трубопроводов насосной установки.
Определим значение коэффициента пропорциональности b воспользовав-
шись зависимостью
2
bV
h =
å
, откуда
2
V
h
b
å
=
(3.22)
где ∑h – потери напора в трубопроводах и аппаратах насосной установки, м;
V –подача насоса на сеть, м
3
/с.
171
,
228
123
,0
452
,3
2
=
=
b
.
Задаваясь различными значениями V, по формуле (3.21) рассчитаем соот-
ветствующий принятой подаче, полученные данные сведем в таблицу 3.3.
Таблица 3.3
Подача Q, м
3
/с
Статический
напор Н
ст
, м
bV
2
Н
тр
0
0,025
0,050
0,075
0,100
0,125
0,150
20,168
20,168
20,168
20,168
20,168
20,168
20,168
0
0,143
0,570
1,397
2,282
3,880
5,134
20,168
20,311
20,738
21,565
22,450
24,048
25,302

---

Page 46

50
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
50
По рассчитанным значениям строим характеристику сети Q – H
тр.
, накла-
дывая её на рабочую характеристику насоса Q – H (рис. 3.3). Точку А пересече-
ния характеристик насоса и сети называют рабочей точкой насоса, ей соответст-
вуют подача Q
A
=0,138 м
3
/с и напор H
A
=25 м. Так как полученная подача
Q
A
=0,138·м
3
/с равна заданной Q
з
=0,123 м
3
/с, то необходимо отрегулировать ра-
боту насоса на сеть одним из способов: прикрытием задвижки на напорной ли-
нии (дросселированием), уменьшением частоты вращения вала рабочего колеса
насоса, обрезкой рабочего колеса.

---

Page 47

51
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
51
Рис. 3.3 Рабочие характеристики насоса АХ 250-200-315

---

Page 48

52
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
52
4. Технологическая схема
Исходная смесь 7.9.1 из промежуточной емкости СИС центробежным насо-
сом Н3 подается в теплообменник Т1, где подогревается до температуры кипения
насыщенным водяным паром 2.2. Нагретая смесь поступает на разделение в рек-
тификационную колонну КР на тарелку питания (верхнюю тарелку исчерпываю-
щей части колонны), где смешивается с флегмой 7.9.2 из укрепляющей части ко-
лонны.
Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх
паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике К. В ре-
зультате этого из жидкости удаляется легколетучий компонент.
Пар 2.9, обогащенный низкокипящим компонентом, поднимается вверх по
колонне и поступает в дефлегматор Д. Из дефлегматора сконденсировавшийся
пар 7.9.2 поступает в распределительный стакан РС, где конденсат разделяется на
два потока: один (флегма) возвращается на орошение колонны, второй (дистил-
лят) поступает в холодильник дистиллята ХД и далее в промежуточную емкость
СД.
Из кубовой части колонны непрерывно отводится кубовый остаток 7.9.3 —
продукт, обогащенный высококипящим компонентом, который охлаждается в те-
плообменнике Т2 и направляется в емкость СКО.
Подогреватель исходной смеси и кипятильник обогреваются насыщенным
водяным паром 2.2, образовавшийся конденсат 1.8 возвращается на ТЭЦ.
Охлаждающая вода 1.6 нагревается в холодильниках и дефлегматоре и по-
ступает для охлаждения на градирню. После охлаждения вода возвращается в
цикл.
В рассмотренной схеме не учитывается возможность рационального исполь-
зования теплоты.
Схема автоматизирована. Основными регулируемыми параметрами являют-
ся: 1) состав жидкости в верхней и нижней частях колонны; 2) расход и темпера-

---

Page 49

53
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
53
тура исходной смеси; 3) давление в верхней части колонны; 4) температура и уро-
вень жидкости в кубе.
Стабилизация состава жидкости в верхней части колонны осуществляется
путем изменения расхода флегмы, в нижней части колонны — расходом греюще-
го пара.
Расход исходной смеси стабилизируется при помощи регулятора расхода.
Диафрагма и исполнительное устройство этого регулятора устанавливаются до
теплообменника, так как после нагрева исходной смеси до температуры кипения
поток жидкости в теплообменнике содержит паровую фазу, что нарушает работу
диафрагмы и исполнительного устройства.
Если исходная смесь поступает в колонну с меньшей температурой, чем тем-
пература кипения, то ее нужно подогреть парами, идущими из нижней части ко-
лонны. Конденсация паров при этом увеличивается, что нарушает весь режим
процесса ректификации. Поэтому температуру исходной смеси стабилизируют
изменением расхода пара, подаваемого в подогреватель Т1.
Стабилизация давления в верхней части колонны необходима не только для
поддержания заданного состава целевого продукта, но и для обеспечения нор-
мального гидродинамического режима колонны. Давление стабилизируется путем
изменения подачи охлаждающей воды, подаваемой в дефлегматор.
При уменьшении температуры жидкости в кубе при помощи регулятора тем-
пературы увеличивается расход пара в кипятильнике. Уровень жидкости в кубе
стабилизируется путем изменения расхода кубового остатка.
Схемой предусмотрена стабилизация уровней жидкости в сборниках.

---

Page 50

54
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
54
Заключение
В результате расчета курсовой работы:
– был выбран кожухотрубчатый теплообменник, что было обусловлено
площадью поверхность теплообмена, а также необходимостью достичь макси-
мальной отдачей тепла от конденсата водяного пара воде;
– был произведен гидравлический расчет трубопровода на участке подачи
воды от резервуара до теплообменного аппарата и аппарата;
– был подобран насос;
– были получены необходимые навыки проектирования теплообменного
аппарата и гидравлического расчета системы трубопроводов.

---

Page 51

55
Подп
.
и
да
т
а
Инв
.
№
подл
.
Вз
ам
.
и
нв
.
№
П
од
п
.
и
д
ат
а
И
нв
.
№
д
уб
л
.
КП-02068108-ПАПП-260602-2.5-08-ПЗ
Изм
.
Лист
№ докум.
Подп. Дата
Лист
55
Список использованных источников
1 Процессы и аппараты химических и пищевых производств (пособие по
проектированию) /А.В. Логинов, Н.М. Подгорнова, И.Н. Болгова; Воронеж. Гос.
Технол. Акад. Воронеж, 2003. 264 с.
2 Выбор конструкции и экономически целесообразного режима эксплуатации
теплообменных аппаратов: Учеб. Пособие / А.В. Логинов; Воронеж. технол. ин-
ститут. Воронеж, 1993. 80 с.
3 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов химической технологии. – Л., “Химия”, 1976.-552 с.
4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов химической технологии. Изд.10-е, пер. и доп. – Л., “Хи-
мия”, 1987.-586 с.
5. 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-у изд., перераб. И дополн. М.: Химия, 1991. – 496 с.
6. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Лащинский
А.А., Толчинский А.Р., Л., “Машиностроение”. 1970, 752с.
7. «Насос и насосные установки пищевых предприятий»: Учеб. пособие/
А.В. Логинов, М.И. Слюсарев, А.А. Смирных; Воронеж. гос. технол. акад. Воро-
неж, 2001. – 220 с.