Расчёт насоса и сопротивления гидравлической сети

Введение.

В данной работе стоит задача, рассчитать гидравлические сопротивления  трубопровода и кожухотрубчатого теплообменника.

Гидравлическое сопротивление - сопротивление движению жидкости, приводящее к потере механической энергии  потока (потери напора, гидравлические потери).

 Гидравлические сопротивления  подразделяют на линейные сопротивления  (по длине прямолинейного пути), обусловленные вязкостью жидкости, и местные сопротивления, возникающие  в местах изменения диаметра  или направления к скорости  потока (в задвижках, вентилях, коленях,  тройниках, диафрагмах). В процессе  эксплуатации магистральных трубопроводов  гидравлическое сопротивление возрастает  вследствие отложения парафина (нефтепроводы), скоплений воды, конденсата или  образования гидратов углеводородных  газов (газопроводы). Для снижения  гидравлического сопротивления  производят периодическую очистку  внутренней полости трубопроводов  специальными скребками или разделителями.(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Постановка задач

Перед нами была поставлена задача:

1. Построить характеристику гидравлической сети;
2. Подобрать центробежный насос для перекачивания;
3. Рассчитать гидравлическое сопротивление нескольких вариантов конструкции кожухотрубчатого теплообменника;
4. Сопоставить экономические затраты на перемещение теплоносителя через аппарат для различных вариантов конструкции;
5. Сделать вывод о пропускании теплоносителя по трубному и межтрубному пространству.

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена  и термохимических процессов  между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного  состояния. Кожухотрубчатые теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Его схема представлена на рисунке 1.

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой  трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются  главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина  стенки кожуха определяется давлением  рабочей среды и диаметром  кожуха, но принимается не менее 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха прикрепляют  опоры аппарата. В кожухотрубчатых  теплообменниках проходное сечение  межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает общий коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению эффективности теплообмена. Трубные доски (решетки) служат для закрепления в них пучка труб при помощи развальцовки, разбортовки, заварки, запайки или сальниковых креплений. Трубные доски приваривают к кожуху, зажимают болтами между фланцами кожуха и крышки или соединяют болтами только с фланцем свободной камеры. Материалом досок служит обычно листовая сталь толщиной не менее 20 мм.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть жесткой, нежесткой и  полужесткой конструкции, одноходовые  и многоходовые, прямоточные, противоточные  и поперечноточные, горизонтальные, наклонные и вертикальные. (2)

Схема кожухотрубчатого теплообменника.

Рисунок 1.

2. Расчёт

2.1 Гидравлическое  сопротивление трубопровода.

2.1.1 Определение  потери напора на преодоление  сил трения.

Физические свойства нитробензола при температуре t=30 составляют:

         вязкость µ=1,8 ;

         плотность ρ= .

Внутренний диаметр трубы  определяется по формуле:

[],                                                                    [1]

где  – наружный диаметр трубы, мм;

          толщина стенки трубы, мм.

 

Средняя скорость нитробензола определяется по формуле:

[ ,                                                    [2]

где Q – объёмный расход потока, ;

       f – площадь поперечного сечения трубопровода,

       d – внутренний диаметр трубы, мм.

 

Скоростной напор:

,                                                          [3]

где средняя скорость, ; g – ускорение свободного падения, .

 

Критерий Рейнольдса:

 

где плотность жидкости,

коэффициент динамической вязкости среды, .

 

 

В связи с тем, что критерий Рейнольдса равен 14332, можно сказать, что внутри трубопровода устойчивый турбулентный режим. Поэтому коэффициент трения можно определить по формуле:

 

 

Потери напора на преодоление  сил трения:

 

где L – длина трубопровода, м.

 

2.1.2 Определение  потерь напора на преодоление  местных сопротивлений.

Потери напора на преодоление местных сопротивлений рассчитываем по уравнению:

 

где коэффициент i-того местного сопротивления.

1) Вентиль прямоточный.

При Re=14332 и d=18 мм  коэффициент местного сопротивления

, потери напора  на 4 прямоточных вентилях составляют:

 

2) Вентиль нормальный.

Коэффициент местного сопротивления определяется в зависимости от внутреннего диаметра трубы d. Для d=18 мм, . Потеря напора на 2 нормальных вентилях

 

3) Отводы.

Для отводов коэффициент  местного сопротивления  зависит от угла отвода и отношения . Коэффициент местного сопротивления рассчитывается как произведение

 

где коэффициент, зависящий от угла отвода; для отвода по углом 150 ; B – коэффициент, зависящий от отношения ; для    B=0,21

 

Потери напора на 4 отводах

 

4)Диафрагма.

Для коэффициент местного сопротивления

Потери напора на диафрагме 

 

 

2.1.3 Расчёт  полного напора Н насоса.

Полный напор:

 

где геометрическая высота подачи, м;

      дополнительные затраты напора на преодоление разности давления в пространствах нагнетания и всасывания , м.ст.жид.

 

 

 

2.1.4 Характеристика  гидравлической сети.

Расчёт для Q = 0; 0,22; 0,44; 0,66; 0,88 производится по формулам      [1] - [9]. Результаты расчёта представлены в таблице 1.

 

Характеристика гидравлической сети.

График 1.

 

Расчёт полного напора для различных значений подачи при  и м.ст.жид.

Таблица 1.

Q,	w,	Re						Напор Н, м столба нитробензола
														H
0,000	0,000	0	0,000	0,000	0,000	0,000	0,026	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	25,295
0,220	0,240	2866	1,757	8,800	0,270	26,800	0,043	0,003	0,706	0,021	0,052	0,003	0,079	26,158
0,440	0,481	5733	1,541	8,800	0,270	26,800	0,036	0,012	2,375	0,073	0,207	0,013	0,315	28,289
0,660	0,721	8599	1,325	8,800	0,270	26,800	0,033	0,026	4,828	0,140	0,466	0,029	0,710	31,494
0,880	0,961	11466	1,198	8,800	0,270	26,800	0,031	0,047	7,987	0,226	0,829	0,051	1,262	35,696
1,100	1,201	14332	1,156	8,800	0,270	26,800	0,029	0,074	11,803	0,340	1,295	0,079	1,971	40,857

 

 

2.1.5 Подбор насоса.

Для подачи Q=1,10 и напора H=40,857 м.ст.жид. можно использовать центробежный насос марки Х20/53 для которого при оптимальных условиях работы , . Насос обеспечен электродвигателем А02-52-2 номинальной мощностью 13 кВт, К. П. Д. электродвигателя 0,89 , частота вращения вала n=48,3 об/с.

Принимаем К. П. Д. передачи  1,0. При таких условиях общий          К. П. Д. насосной установки

 

Тогда мощность, которая  будет действительно потребляться двигателем насоса, составит

 

Выбранный центробежный насос  имеет запас по подаче

 

 

Значение запаса является допустимым, а значение запаса показывает, что для оптимальной работы насоса необходимо установить вентили.

2.2 Гидравлическое  сопротивление кожухотрубчатого теплообменника.

2.2.1 Расчёт  гидравлического сопротивления  трубного пространства.

Плотность ρ и динамический коэффициент вязкости изопропанола µ при средней температуре равны: ρ = 747,75 µ = 0,73 мПа×с.

Объёмный расход изопропанола рассчитывается по формуле:

 

Скорость изопропанола в  трубах теплообенника и скорость в штуцерах , критерий Рейнольдса Re, коэффициент трения λ для различных значений Re рассчитываем по формулам [2], [4], [5] соответственно. Гидравлическое сопротивление трубного пространства для одноходового аппарата и различных вариантов многоходовых теплообменников рассчитывается по формуле:

 

где Z – число ходов по трубам;

L – длина трубы, м;

 – скорость, теплоносителя, движущегося по трубному или по межтрубному пространству, в котором отсутствуют поперечные перегородки;

 – скорость  теплоносителя в штуцерах,

Результаты подсчёта, для  различных вариантов конструкции  теплообменника представлены в таблице 2.

 

 

Таблица 2.

Z		Re	λ
1	0,35	11964	0,030	0,30	1,18	1028
2	0,73	24768	0,025	0,30	1,18	2357
4	1,64	55363	0,021	0,20	2,66	27413
6	2,45	83044	0,019	0,15	4,72	62184

 

Мощность насоса, затрачиваемая  на перемещение изопропанола через  теплообменник, увеличивается во столько  же раз, во сколько возрастает гидравлическое сопротивление трубного пространства. Из результатов таблицы видно, что при переходе от одноходового теплообменника к двухходовому потребление энергии насосом возрастает в 2 раза. При переходе от двухходового к четырёхходовому раз, а на перемещение изопропанола в шестиходовом теплообменнике по сравнению с одноходовым затрачивается энергии больше в 65 раз.

Исходя из данных, можно  сделать вывод, что использование  шестиходового теплообменника невозможно.

2.2.2 Расчёт гидравлического сопротивления межтрубного пространства.

Для теплообменника с диаметром  кожуха D=1000 мм число сегментных перегородок , диаметры штуцеров 300 мм. Установка 16 перегородок делает теплообменник семнадцатиходовым по межтрубному пространству.

Скорость изопропанола в штуцерахи скорость изопропанола в межтрубном пространстве вычисляется по формуле [2]. Критерий Рейнольдса Re вычисляется по формуле [5].

Число труб m, омываемых изопропанолом в межтрубном пространстве в поперечном направлении, определяется по формуле:

 

где n – число труб.

Результаты расчёта представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Число ходов по трубам Z	Скорость в межтрубном пространстве , м/с	Скорость в штуцерах ,м/с	Критерий Рейнольдса Re
1	0,200	1,18	9183
2	0,195		8246
4	0,186		7861
6	0,183		7723

 

2.2.3 Одноходовой  теплообменник по межтрубному  пространству.

Эквивалентный диаметр межтрубного  пространства рассчитывается по формуле:

 

где D – диаметр кожуха, м;

 – общее количество  труб, при заданном числе ходов;

 – наружный  диаметр трубы, м.

 

Критерий Рейнольдса Re и коэффициент трения λ рассчитываем по формулам [4] и [5] соответственно.

 

 

Гидравлическое сопротивление  межтрубного пространства при Z=1:

 

2.2.4 Многоходовые  по межтрубному пространству  теплообменники.

Гидравлическое сопротивление  межтрубного пространства, в котором  установлены перегородки, рассчитывается по уравнению: