Расчет конденсатора

αкондверт = 3,78 · 0,1259  · ³√ (796)² · 316 · 0,020 / 0,2750 ·10-3 · 1,80

     αкондверт   =  954,54 Вт/м²

Для нахождения коэффициента теплоотдачи холодного теплоносителя воспользуемся  формулой:

Nu · λ

αх = ───────    (13)

dэ

где                Nu – критерий Нуссельта,

                       λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя при определяющей температуре Вт/ мК ,

                      dэ  - внутренний диаметр трубок в теплообменнике  м,

Переходное течение жидкости в прямых трубах и каналах рассчитывается по формуле [1]:

Nu = 0.008 Re0.9 · Pr0.43    (14)

                                                         Cp ·μ

Pr = ──────     (15)

                                                                      λ

Cp31вода  = 4183,5   Дж/кг град ,                      [1]

  μ31вода =0,840·10-3   Па*с,                              [1]

  λ31вода = 0.61813   Вт/ мК,                               [1]

                                               4183,5·0,840·10-3

Pr = ───────────── = 5.6851

                                                      0.61813

Nu = 0.008 (3819.38)0.9 · (5.6851)0.43 = 28.27

По формуле (13) найдём коэффициент теплоотдачи :

                                           28,27 · 0,633

αх = ───────── = 1118,43  Вт/м²К

                                               0,0016

Коэффициент теплопередачи рассчитывается с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений с учётом наличия загрязнений по обе стороне теплопередающей стенки [1]:

                               1            1             δст                                              1

─── =  ──── + ─── + rзг + rзх + ────     (16)

                              К             αг            λст                                                   αх

δст = 0,002  м                                      [2]

λст   = 17.5  Вт/мК                               [1]

rзг = 1900   Вт/м²К                              [2]

rзх = 5800    Вт/м²К                             [2]

        1         1             0,002        1           1                 1

───  = ─── + ───── + ─── + ─── + ───── = 0,00275341 Вт/м²град

      К        954,54      17,5        5800      1900       1118,43

                                     Красч.  = 363 Вт/м²град

По формуле (2) найдём расчётную поверхность:

716310,45

Fрасч. =  ──────── = 34 м²

363 · 58

Далее проводим сопоставление выбранного варианта нормализированного теплообменника с расчётным по величине коэффициента запаса В:

                                                  Fст. – Fрасч.    

                                       В = ──────── · 100 %  (17)

                                                         Fст  

         41 - 34

В = ──────· 100 % = 17 %

           41                                 

Допускается, как правило, превышение стандартной поверхности нормализованного теплообменника над расчётной не более чем 20 %.

1.2. РАСЧЁТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Целью расчёта тепловой изоляции является определение необходимой толщины слоя теплоизоляционного материала, покрывающего наружную поверхность теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. Температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45°С.

Расчёт толщины теплоизоляционного слоя материала проводят по упрощённой схеме, используя следующие уравнения [1]:

Qп = αн · F(tиз. – tокр. )             (17)

                                                      λиз.

Qиз =.  ──── · F( tст. – tиз. )    (18)

                                                      δиз.

Так как Qп = Qиз  ,  то из этого следует :

                                                        λиз.  ( tст. – tиз. )

                                            δиз. = ─────────          (19)

                                                         αн  (tиз. – tокр. )

где         α – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду,  Вт/м²К,

               δиз. – толщина материала изоляции,  мм,

                λиз. – коэффициент теплопроводности материала изоляции, Вт/мК,

                tст., tокр. , tиз. – соответственно температуры наружной стенки аппарата, окружающей среды, наружной поверхности теплоизоляционного материала  °С,   

Коэффициент теплоотдачи, который определяет суммарную скорость переноса теплоты конвекций и тепловым излучением для аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, при температуре до 150°С можно рассчитать по приближённому уравнению:

αн  = 9,74 + 0,07∆t                                     (20)

Выбираем теплоизоляционный материал – стеклянная вата.

Задаём температуры:

  Tст = 89°С

  Tокр = 25°С

   tиз.  = 40°С

   λиз.  =  0,05  Вт/мК  [1]

Рассчитываем значение коэффициента теплоотдачи :

                                     ∆t    = tиз - tокр.  = 40° -  25° = 15°С

                                    αн    = 9,74 + 0,07 * 15°С = 10,79

По уравнению (19) найдём толщину материала изоляции:

                                      0,045 (89 – 40)                  

                           δиз. =   ───────── = 13,3 мм

                                      10,79 ( 40-25 )

1.3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Основной целью гидравлического расчёта теплообменных аппаратов является определение затрат энергии на перемещении жидкости через теплообменник и подбор насоса или вентилятора.

В общем случае мощность N [кВт],потребляемая двигателем насоса рассчитывается по уравнению [1]:

                                            V · ∆Рп

                                N =  ─────────    (21)

                                         1000 ŋн ŋ пер. ŋдв.

где          V – объёмная производительность,  м³/с,

                ∆Рп   - потеря давления при течении теплоносителя,  Па,

                ŋн ,ŋпер., ŋдв. – соответственно коэффициенты полезного действия собственно насоса, передаточного механизма и двигателя

        V = ω · S =0.2010 · 0.009 = 0.001809 м³/с

ω = 0,2010 (таблица 1,2)

S = 0,009 (таблица 1,2)

1.3.1. РАССЧИТЫВАЕМ ПОЛНОЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОТОКА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Уравнение для расчёта гидравлического сопротивления трубного пространства кожухотрубчатого теплообменника:

                   LZ           ωтр.² ρ                                  ρ ωтрю²         ρ ωшт.²

∆Рп .тр. =  λ ──── · ──── + [2.5(Z – 1) +2Z] · ────  + 3─────+ ρgh  (22)

                    dэ               2                                          2                   2

где             λ – коэффициент трения

                    L – длина труб, м,

                    Z – число ходов

                    dэ – диаметр эквивалентный,  м,

                    ωтр – скорость теплоносителя,  м/с,

                    ρ – плотность вещества,  кг/м³,

                    h – высота подъёма,  м,

                    g = 9,8 м/с² - ускорение свободного падения

Коэффициент трения рассчитываем по формуле:

                               10                  560

                              ─── < Re < ──── зона смешенного трения  (23)   

                                е                     e

              е = ∆/ dэ = 0,06/16 = 0,00375

∆ = 0,06 мм    [2]

dэ = 16 мм   (таблица 1,2)

                                  2666,66 < 3819,382 < 149333,33

                           λ = 0,11( е  + 68 / 3819,382 )0,25 = 0,04214

Рассчитываем   по формуле

                                               М

                                   ωшт = ────               (24)

                                              ρ S

         d = 150 мм  [2]                  

                                          πd²       3.14*(0.15)²

                                S = ──── = ──────= 0.01766

                                           4                4

                   ρ31вода = 997,6 кг/м³                  

                                             5,7

                          ωшт = ─────────── = 0,01836 м/с

                                     997,6 * 0,01766                          

По формуле (3,2) найдём:

                                    2 · 4      (0,2010)² · 997,6

   ∆Рп .тр.  =  0,04214 · ─── · ────────── + [2,5(4-1) + 2 · 4]

                                   0,016                 2        

    (0,2010)² · 997,6         997,6 · (0,01836)²

*  -──────────+ 3 ───────────+ 997,6 · 9,8 · 2 ·3  = 59396,3424 Па

             2                                    2

          ∆Р       59396.3424

Нп = ─── = ───────── = 6.06 [ м ст. жидкости]

          ρg         997.6 * 9.81

По формуле (21) найдём:

ŋн. =0,40 [2]

ŋпер. =  1   [2]

ŋдв. = 1    [2]

                               0,001809 · 59396,3424

                       N = ────────────── = 0,268619 кВт

                                1000 · 0,40 · 1 · 1

Подбираем центробежный насос.

2. КОНСТРУКТИВНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

В задачу конструктивно-механического расчёта входит определение  необходимых геометрических размеров отдельных деталей и узлов , которые определяют конструкцию теплообменного аппарата, его механическую прочность и геометрические размеры.

2.1. РАСЧЁТ И ПОДБОР ШТУЦЕРОВ

Диаметр условного прохода (внутренний диаметр) штуцеров для подвода и отвода теплоносителей рассчитывается на основе уравнения массового расхода:

                                                πd²вн.шт.

                            G = ρ ωшт. ─────              (25)

                                                   4

откуда

                                       ___________                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

                        dвн.шт. =  √ 4G / π  ρ ωшт.        

                                         .    

ωшт. – скорость течения теплоносителя в штуцере м/с,

1.                       Для насыщенного пара.

                                       Мсм. = Мб. · Хб. + Мт· (1 – Хт.)          (27)

Мсм. = 78 · 0,92 + 93 · 0,08 = 79,2

                                          Мсм.           273 Р

                              ρпара = ──── · ────                                (28)       

                                           22,4       Т Р0

           79,2                273 · 1,2

ρпара = ──── · ──────────── = 3,0723

             22,4        (88 + 273) · 1,034

Предельно допустимая скорость насыщенного пара -  (15-25 м/с) – 20 м/с

По уравнению (26) найдём:

                __________________________

dвн.шт. =   √ 4·6500/3,14 · 20·3,0723·3600   =93,4  мм

2.                       Для конденсата.

Предельно допустимая скорость конденсата – (0,1 – 0,5) – 0,1 м/с

 По уравнению (4,2) найдём:

                  ___________________________

dвн..шт. =    √­­ 4·6500/3,14·3600 · 0,1 · 796,812  = 169 мм 

          3.          Для холодного теплоносителя.

dвн..шт = 150 [мм]

Рабочее давление 0,12МПа.

Конструкцию фланцевого соединения принимают в зависимости от рабочих параметров аппарата: плоские приварные фланцы при Р≤2.5МПа , t≤300°C. Во фланцевых соединениях при Р≤4.0МПа ,t≤300°C применяют болты.

Фланцы для труб и трубной арматуры стальные плоские приварные с соединительным выступом (ГОСТ 1255-67).

     Диаметр резьбы болтов dб для всех фланцев при соответствующих d

d , мм  12          14         18         23

d , мм  М10      М12      М16      М20

Фланцы для аппаратов стальные плоские приварные ОСТ-26-426-79.

2.2.         ОБЕЧАЙКА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Обечайка – это цилиндрический корпус аппарата, который работает, как правило, под избыточным внутренним или внешним давлением. Толщина стенки обечаек, работающих под внутренним давлением рассчитывается по уравнению:

                                         PR  · D

                            SR = ─────────      (29)

                                         2[σ] φp. · φR

где                  PR – расчетное давление в аппарате,  МПа,

                       D – диаметр обечайки, мм,

                       [σ] – предельно-допускаемое напряжение, МПа,

                       φp.  – коэффициент прочности шва

                   S ≥ SR + C , где С – прибавка.        (30)

                 PR ≤ (1.25- 1.5)P[σ]20/ [σ]t                   (31)

                 PR ≤ 1.4 · 0.12 · 140/133,4

                     PR ≤ 0.176

По формуле (30) найдём:

                              0.176 · 600

              SR = ────────────── = 0.47761               

                          2 · 134 · (1-0.175)

C = 2

S ≥ SR  + C = 0.4776 + 2

S ≥ 2.4776 ≈ 3мм

2.3. ТОЛЩИНА ТРУБНЫХ РЕШЁТОК

В среднем толщина трубных решёток составляет от 15 до 35мм в зависимости от диаметра развальцованных теплообменных труб и конструкции теплообменника, поскольку напряжение, под действием которых находится напряжение, под действием которых находится и работает трубная решётка, определяется не только  давлением рабочей среды, но и особенностями конструкции аппарата.

   Ориентировочно, толщину трубных решёток можно принять равной:

                       Sтр.реш. = (dн/ 8) + 5мм. = (20/8) + 5 = 7,5 мм.

2.4. ПОДБОР ДНИЩА

Днище – это составной элемент корпуса химических аппаратов, который ограничивает корпус снизу и сверху и изготавливается из того же материала, что и корпус. По форме днища могут быть, в зависимости от давления среды и конструктивных соображений, эллиптическими, сферическими, коническими, плоскими, цилиндрическими; могут присоединяться к корпусу пайкой, сваркой или с помощью фланцев.

Днища эллиптические отбортованные стальные с внутренними базовыми размерами.

2.5. ОПОРЫ АППАРАТА

На фундаменты  или специальные несущие конструкции химические аппараты устанавливаются с помощью опор. В зависимости от рабочего положения аппарата различают опоры для горизонтальных и вертикальных аппаратов.

Вертикальные аппараты обычно устанавливают или на стойках, когда их размещают внизу в помещении, или на подвесных лапах, когда аппарат размещают между перекрытиями в помещении.

Горизонтальные аппараты устанавливают на Седловых  опорах.

В зависимости от толщины стенки корпуса аппарата лапы привариваются или непосредственно к корпусу, или к накладному листу.

Накладной лист выполняется из того же материала, что и корпус и приваривается к нему сплошным швом.

Опоры подбираются в зависимости от массы аппарата.

Gап. = Gоб.  + 2Gкр.  + Gтруб. + 2Gтр.реш  + Gр-ра   + 15 % (от веса аппарата)   (32)

 Gоб = h · πD · δ · ρстали.  = 3.14 · 2 · 0.003 · 7850 · 0.6 =88.73

2Gкр.  = S · F · ρстали.  = 0.003 · 0.44 · 7850 = 10.362, S=0.003м,F=0.44м² [3]

Gтруб.  = h · πd · δтр.  · ρстали.  · Nтр. = 3,14·0,020·2·7850·0,002·316=623,12

                                                   πD²             πd²

2Gтр.реш  = ─── - N * ─── · ρстали.  · Sтр.реш.

                                4                4

                3,14*(0,6)²              3,14*(0,02)²

2Gтр.реш  = ──────  - 316· ──────── · 7850 · 0,0075 = 10,796262

                              4                               4

                  πD²                         3,14*(0,6)²             

Gр-ра   = ───── · h ·ρводы = ─────── · 2 ·1000 =565,2

                          4                                   4

G = 88,73 + 10,79 + 623,12 + 10,79 =733,43

                               733,43  -  100 %

                                   Х      -    15%

                                  Х = 110,0145

                               Gап. = 733,43 +565,2 + 110,0145 = 1408,6445 кг

                                            1408,6445 · 9,8

                                Qап. = ────────── = 13,8 кН

                                                   1000

Опоры (лапы) для вертикальных аппаратов, ОСТ 26-665-79, мм.

Величина зазора между аппаратом и подпорной рамой f принимается конструктивно, но не более fmax.

Министерство образования Российской Федерации

Томский Государственный

Промышленно-Гуманитарный колледж

Специальность 2105

       Группа                233

                                                                                                       Утверждаю:

                                                                          Зам. Директора по УР

                                                                         Г.М. Крюкова ____________

                                                                «___»_______________2004 г.

РАСЧЁТ КОНДЕНСАТОРА

Пояснительная записка к курсовому проекту

2501 Химические технологии органических веществ и ВМС

                                                                    Руководитель курсового проекта     

                                                                    Преподаватель Медведева С.С.

                                                                    ______________________________

                                                                    «____» __________________2004 г.

                                                                     Исполнитель студентка

                                                                                                Иванникова М.А.

                                                                      _____________________________

                                                                     «____» __________________2004 г.

                                         г. Томск 2004 г.

ЗАДАНИЕ

Студентке группы 233 Иванниковой Марии Анатольевне ТГПГК на выполнение курсового проекта по “Процессам и аппаратам химической технологии”.

                                                          Расчёт конденсатора

Тема курсового проекта : _______________________________________

Исходные данные:

Состав насыщенного пара: бензол – 0.92 %, толуол – 0.08 % (мольные)

Рпара  = 1.2 ата.

Gпо пару = 6.5 т/час.

Конденсация ведётся охлаждённой водой: tн = 15º  , tк = 45º  .

Конденсат пара отводится при температуре конденсации.

                                                     вода                                 

                                                                                   1

                                                                                           2

нас.пар                                                                                             

                                                                                           3  

                                                                                           4

                                                                                          конденсат

                                                                                        5

                                             вода

1 – крышка                               4 - трубы

2 – трубная решётка                5 - днище

3 – корпус

3.     АТОМАТИЗАЦИЯ

Регулирование процесса конденсации осуществляется за счёт подачи холодного теплоносителя. При сравнении подачи пара и холодного теплоносителя, срабатывает исполнительный механизм на линии подачи холодног теплоносителя.

3.СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУТЫ

1. Физико-химические и термодинамические свойства веществ. Справочник Гусев В.П., Гусева Ж.А./ Томск, изд. ТХТК, 1994 – 69с.

2. Процессы и аппараты химической технологии. Расчёт теплообменных аппаратов. Методическое указание к курсовому проектированию для студентов Томского химико-технологического колледжа. /Гусев В.П./ Томск, изд. ТХТК, 1994 – 70с.

3. Конструктивно-механический расчёт. Методические пособие к выполнению курсового проекта по процессам аппаратам химической технологии  /Медведева С.С./ Томск, изд. ТХТЛ, 1997 – 30с.

4. Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтегазо-переработки.1987, 2-е изд. М. Химия с. 143-150,

5. А.Г. Касаткин. Процессы и аппараты химической технологии. 1971, Москва изд. “Химия” с. 784.    

СОДЕРЖАНИЕ

           ВВЕДЕНИЕ

1.        РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ                                                                  

1.1.            Тепловой расчет аппарата                                                           

1.1.1.  Тепловой баланс                                                                                   

1.1.2.  Определение средней движущей силы процесса                        

1.1.3.  Определение средних температур теплоносителей                     

1.1.4.  Расчет коэффициента теплоотдачи                                                       

1.1.5.  Подбор конденсатора                                                                  

1.2.     Расчет тепловой изоляции                                                          

1.3.     Гидравлический расчет теплообменных аппаратов                   

1.3.1   Расчет гидравлического сопротивления                                              

2.        КОНСТРУКТИВНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ                    

2.1.     Расчет и подбор штуцеров                                                          

2.2.     Подбор фланцев                                                                                    

2.3.     Расчет обечайки                                                                                    

2.4.     Расчет толщины трубных решеток                                                       

2.5.     Подбор днища                                                                             

2.6.     Подбор опор                                                                                

3.        АВТОМАТИЗАЦИЯ                                                                    

4.        ЛИТЕРАТУРА                                                                             

Страницы: 1, 2