МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» Н.И. Савельев, П.М, Лукин РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОЖУХОТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Учебное пособие Чебоксары 2010 81 Н.И. Савельев П.М. Лукин РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОЖУХОТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Учебное пособие Чебоксары 2010 УДК 66.02 С12 Рец е нз ен ты: заместитель главного технолога ОАО «Химпром», канд. техн. наук В . М . Ф и л и п п о в ; канд. хим. наук, доцент О . А . К о л я м ш и н Савельев Н.И. С12 Расчет и проектирование кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: учеб. пособие / Н.И. Савельев, П.М. Лукин. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та. 2010. – 80 с. ISBN 5-7677-1432-2 Изложена методика выполнения тепловых, гидравлических и механических расчетов при проектировании кожухотрубчатых теплообменных аппаратов. Приведены конструктивные размеры стандартных теплообменных аппаратов и их основных элементов, необходимые для выполнения графической части курсовых и дипломных проектов. Даны примерные задания на курсовое проектирование по процессам химической технологии и защиты окружающей среды. Для студентов III - V курсов химико-технологических и энергетических специальностей. Отв. редактор канд. техн. наук, доцент Н.И. Савельев Утверждено Редакционно-издательским советом университета УДК 66.02 Савельев Н.И., Лукин П.М., 2010 ISBN 5-7677-1432-2 2 Оглавление Предисловие………………………………………………………… 1. Общие сведения о кожухотрубчатых теплообменных аппаратах … 1.1. Классификация кожухотрубчатых теплообменных аппаратов 1.2. Основные параметры теплообменных аппаратов общего назначения ………………………………………………………….. 1.3. Общая последовательность выполнения работы ………. 2. Тепловые расчеты ………………………………………………. 2.1. Исходные данные ………………………………………… 2.2. Типовые температурные схемы теплообменных процессов и средний температурный напор ……………………………………. 2.3. Тепловой баланс теплообменных процессов …………... 2.4. Предварительный расчет площади поверхности ………. 2.5. Выбор стандартного теплообменного аппарата ……….. 2.6. Поверочный расчет выбранного теплообменника ……. 3. Гидравлические расчеты ……………………………………….. 4. Механические расчеты …………………………………………. 4.1. Расчет толщины стенок …………………………………. 4.2. Опоры …………………………………………………….. 5. Конструкции и размеры аппаратов ……………………………. 5.1. Испарители по ГОСТ 15119-79 ………………………… 5.2. Холодильники по ГОСТ 15120-79 ……………………… 5.3. Конденсаторы многоходовые по ГОСТ 15121-79 …….. 5.4. Теплообменники по ГОСТ 15122-79 ………………….. 6. Конструкции и размеры фланцев ……………………………… 6.1. Фланцы соединительных частей трубопроводов ……… 6.2. Фланцы соединительных частей аппаратов …………… 7. Задания на проектирование ……………………………………. 8. Рекомендации к оформлению проекта …..…………………….. 8.1. Форма титульного листа …………………………………. 8.2. Структура пояснительной записки …………………….. 8.3. Основные правила оформления записки ………………. 8.4. Состав графической части курсового проекта ………… Список рекомендуемой литературы ……………………………… 3 4 5 5 10 10 13 13 14 15 17 18 22 28 31 31 34 39 39 42 44 46 53 53 58 63 73 73 74 74 75 79 Предисловие Для создания и поддержания температурного режима в химических, массообменных и других процессах химической технологии и защиты окружающей среды необходимо осуществлять подвод или отвод тепловой энергии от рабочей среды. В промышленности для проведения таких процессов широко применяют кожухотрубчатые теплообменные аппараты, которые просты по конструкции, надежны в эксплуатации и могут иметь площадь поверхности теплообмена до 1000 м2. При разработке теплообменных аппаратов необходимо, как правило, решать следующие задачи: 1. Определение тепловой нагрузки на аппарат. 2. Обоснованный выбор теплоносителя, который будет двигаться по трубному пространству. 3. Предварительный проектный расчет необходимой поверхности теплообменника. 4. Выбор стандартного теплообменного аппарата и схемы движения теплоносителей через него. 5. Расчет кинетики теплопередачи в выбранном аппарате и проверка наличия необходимого запаса поверхности. 6. Гидравлический расчет теплообменника. 7. Конструирование теплообменного аппарата. В учебном пособии приведены методики выполнения тепловых, гидравлических и основных механических расчетов. В ней представлены конструкции и таблицы базовых размеров стандартных испарителей, холодильников, конденсаторов, теплообменников, а также их опор, днищ и фланцев. Общие требования к содержанию курсового проекта по процессам и аппаратам изложены в методических указаниях [1]. Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту является отчетом студента о выполненной работе, который необходимо оформлять в соответствии с требованиями межгосударственного стандарта [2]. 4 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОЖУХОТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ 1.1. Классификация кожухотрубчатых теплообменных аппаратов В кожухотрубчатых теплообменных аппаратах поверхность теплообмена создается трубками, которые закреплены в трубных досках и размещены в кожухе (рис. 1). Рис. 1. Внешний вид горизонтального теплообменника Один теплоноситель движется внутри трубок, а второй омывает их с внешней стороны (рис. 2). Рис. 2. Поперечный разрез двухходового теплообменника: 1 – крышка с перегородкой; 2 – трубная доска с фланцем; 3- компенсатор линзовый, 4 – трубы теплообменные; 5 – поперечные перегородки в межтрубном пространстве; 6 и 7 – опоры; 8 – крышка правая 5 В зависимости от назначения стандарты [3 – 6] предусматривают четыре вида кожухотрубчатых аппаратов, используемых с различными параметрами теплоносителей (табл. 1). Вид аппарата обозначают первой буквой: И – испарители, К – конденсаторы, Х – холодильники, Т – теплообменники. Конструктивное исполнение аппарата, обеспечивающее компенсацию температурных деформаций его элементов, указано второй буквой условного обозначения. Примеры буквенных обозначений теплообменников. ТН – теплообменник с неподвижными трубными решетками; ХК – холодильник с температурным компенсатором на кожухе; ТП – теплообменник с плавающей головкой; ИУ – испаритель с U-образными трубками. Третья буква в условном обозначении показывает исполнение: Г – горизонтальное; В – вертикальное. Примеры условных обозначений теплообменных аппаратов Теплообменник с неподвижными трубными решетками горизонтальный: 325 ТНГ I 1,6 Б9 по ГОСТ 15122-79. 20 Г6 4 Обозначения в числителе: 325 – диаметр кожуха, мм (диапазон от 159 до 1200 мм); ТНГ – теплообменник с неподвижными трубными решетками, горизонтальный; I – исполнение с неразъемными распределительными камерами (исполнение II – с распределительными камерами, имеющими съемные крышки); 1,6 – условное давление, МПа (ряд: 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0); Б9 – материал кожуха и трубок по ГОСТ 15122-79. Обозначения в знаменателе: 20 – наружный диаметр теплообменных труб в мм (ряд: 16, 20, 25, 38, 57); Г – гладкие трубки (Н – трубы с накаткой); 6 – длина труб, м (ряд: 1, 1,5, 2, 3, 4, 6, 9); 4 – число ходов по трубному пространству (ряд: 1, 2, 4, 6). Теплообменник с плавающей головкой: 600 ТП-1,6-М1/20-6-2-У-И пo TУ 3612-023-00220302-01. Здесь 600 – диаметр кожуха, мм; ТП – теплообменник с плавающей головкой, 1,6 – давление в кожухе, МПа; М1 –материал исполнения; 20 – диаметр теплообменных труб, мм; 6 – длина труб, м; 2 – двухходовой; У – климатическое исполнение; И – с деталями для крепления изоляции. Схемы некоторых видов кожухотрубчатых аппаратов приведены на рис. 3-6 (перегородки в крышках многоходовых аппаратов не показаны). 6 Таблица 1 Область применения кожухотрубчатых теплообменных аппаратов со стальными трубами Тип аппарата Испарители ИНВ и ИКВ Испарители ИПГ и ИУГ 7 Холодильники ХН и ХК Конденсаторы КН и КК Теплообменники ТН и ТК Применение и нормы в кожухе в трубах Греющая среда Испаряемая среда Температура греющей и испаряемой среды от –30 до +350 оС Ру для ИН от 0,6 до 4 МПа Ру от 0,6 до 1 МПа Ру для ИК от 0,6 до 1,6 МПа Испаряемая среда Греющая среда Температура греющей и испаряемой среды от –30 до +350 оС Ру от 1 до 2,5 МПа Ру от 1,6 до 4 МПа Охлаждаемая среда Охлаждающая среда Температура от –20 до +300 оС вода или другая нетоксичная Ру для ХН от 0,6 до 4 МПа и невзрывои непожароопасная Ру для ХК от 0,6 до 1,6 МПа среда Конденсируемая среда о Температура от 0 до +350 С Температура от –20 до +60 оС Ру для КН от 0,6 до 2,5 МПа Ру до 0,6 МПа Ру для КК от 0,6 до 1,6 МПа Нагревание и охлаждение жидких и газообразных сред Температура теплообменивающихся сред от –70 до +350 оС Ру для ТН от 0,6 до 2,5 МПа Ру от 0,6 до 1,6 МПа Ру для ТК от 0,6 до 1,6 МПа 7 Рис. 3. Горизонтальный многоходовой теплообменник типа ТКГ с линзовым компенсатором на кожухе (ГОСТ 15122-79) Рис. 4. Горизонтальный конденсатор типа КПГ с плавающей головкой и длиной труб 6000 мм (ГОСТ 14246-69, ТУ 3612-023-00220302-01) 8 Рис. 5. Испаритель с паровым пространством с плавающей головкой типа ИПГ (ТУ 3612-013-00220302-99) Рис. 6. Горизонтальный теплообменник с U-образным трубным пучком типа ТУГ (ГОСТ 14245-69) 9 1.2. Основные параметры теплообменных аппаратов общего назначения Диаметр кожуха, мм: наружный (из труб) внутренний (вальцованный) Длина теплообменной части труб, м: Dн =159, 273, 325, 426; Dвн =400, 600, 800, 1000, 1200. lт=1; 1,5; 2,0; 3,0; 4,0; 6,0; 9,0. Площадь поверхности теплообмена, м2: F πd срlт nоб , (1.1) где dср – средний диаметр труб, м; lт – длина теплообменных труб, м; nоб – общее число труб в теплообменнике. 1.3. Общая последовательность выполнения работы Этап 1. Сбор данных о свойствах теплоносителей. На первом этапе по справочной литературе находят сведения об основных свойствах теплоносителей: – физические свойства (внешний вид, температура кристаллизации, кипения, вязкость, коэффициент поверхностного натяжения); – теплофизические свойства (теплоемкость, удельная теплота парообразования, коэффициент теплопроводности); – коррозионные свойства (скорость коррозии основных конструкционных материалов в среде теплоносителей при рабочих температурах); – токсикологические свойства (предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны, в воде водоемов хозяйственного и рыбохозяйственного назначения); – взрывопожароопасные свойства (температура вспышки, температура самовоспламенения, концентрационные пределы распространения пламени). Все эти данные необходимы для последующего обоснованного выбора конструктивного исполнения аппарата, выполнения тепловых, гидравлических и механических расчетов, разработки мероприятий по охране труда и промышленной безопасности. Этап 2. Выбор типа аппарата, разработка схемы соединения теплообменника трубопроводами с другим оборудованием. На основании полученного задания выбирают тип аппарата (испаритель, конденсатор, холодильник или теплообменник) и 10 нормативный документ, в котором приводятся его технические показатели. Принимают техническое решение о вертикальном или горизонтальном размещении теплообменника, о направлении движения теплоносителей по трубному и межтрубному пространствам. При этом следует выполнять следующие правила: – теплоносители, которые только нагреваются или охлаждаются (нет испарения или конденсации), должны двигаться в теплообменнике в турбулентном режиме (Reтр>104, Reм.т>103); – если ни один из теплоносителей не испаряется или не конденсируется, они должны двигаться, как правило, противотоком; – в трубное пространство, которое поддается механической чистке, следует подавать теплоноситель, дающий отложения на теплообменной поверхности; – направление движения теплоносителей по возможности должно совпадать с направлением их естественной конвекции; – при пуске и эксплуатации в теплообменнике не должны образовываться газовые «мешки», застойные зоны; – при подготовке оборудования к ремонту из теплообменника теплоносители должны полностью удаляться. Разрабатывают принципиальную технологическую схему соединения теплообменника трубопроводами с емкостями, насосами, реакторами, массообменными аппаратами с указанием контрольных точек технологического контроля теплообменного процесса. Этап 3. Определение необходимых технологических и конструктивных параметров. На этом этапе выполняют предварительный тепловой расчет, в ходе которого: – определяют температурную схему теплообменного процесса; – по уравнениям теплового баланса определяют расходы теплоносителей и их температуры на входе и выходе из теплообменника; – вычисляют средний температурный напор, находят средние температуры теплоносителей; – по приближенному значению коэффициента теплопередачи для данного вида теплообмена находят ориентировочный размер площади поверхности теплообмена; 11 – определяют, при необходимости, число труб в одном ходе для обеспечения турбулентного режима движения теплоносителя. Этап 4. Подбор стандартного теплообменного аппарата. По нормативному документу выбирают стандартный теплообменный аппарат, который соответствует найденным параметрам, и выписывают его конструктивные параметры. При необходимости используют группу одинаковых теплообменников, соединенных последовательно или параллельно. Этап 5. Поверочный расчет выбранного аппарата. Выполняют тепловые, гидравлические и механические расчеты. При выполнении тепловых расчетов: – по справочной литературе находят теплофизические свойства теплоносителей при их средних температурах; – рассчитывают коэффициент теплопередачи или удельный тепловой поток; – определяют избыток фактической площади теплообменной поверхности по отношению к рассчитанному значению. Этап 6. Оформление расчетно-пояснительной записки, проектирование теплообменного аппарата и аттестация курсового проекта. Правила оформления и аттестации курсового проекта представлены в методических указаниях [1]. Вопросы для самопроверки 1. Назовите четыре вида кожухотрубчатых аппаратов по технологическому назначению. 2. Можно ли использовать теплообменник для конденсации паров воды или органических веществ? 3. Какая среда должна подаваться в трубное пространство холодильников и конденсаторов? 4. Назовите основные технические параметры кожухотрубчатых аппаратов общего назначения. 5. Данные о каких свойствах теплоносителей необходимо собрать на 1-м этапе проектирования? 6. Какой теплоноситель предпочтительно подавать в трубное пространство? 7. Какой результат считается положительным при выполнении поверочного теплового расчета выбранного теплообменного аппарата? 12 2. ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ 2.1. Исходные данные Для расчета необходимой поверхности теплообмена между относительно «горячим» и «холодным» теплоносителями или длительности периодических процессов предварительно необходимо найти значения 10 базовых величин: – начальные и конечные температуры теплоносителей (4 значения); – средние температуры теплоносителей (2 значения); – средний температурный напор (1 значение); – массовые расходы горячего Gг и холодного Gх теплоносителей, а в периодических процессах – их массы Мi (2 значения); – тепловой поток от горячего теплоносителя к холодному, тепловая нагрузка N (1 значение). Некоторые из этих данных содержатся в задании на курсовое проектирование. Недостающие значения вычисляют по уравнениям теплового баланса (2.5) – (2.9) c учетом реальной температурной схемы процесса. Полученные результаты отображают на расчетной температурной схеме (рис. 7). t 20оС «Горячий» теплоноситель – дихлорэтан, охлаждается в трубном пространстве. Средняя температура дихлорэтана Gг = 6,94 кг/с tср(г) = tср(х) +tср*= 2 оС -11оС Средний температурный напор о по уравнению (2.1) tср*= 32 С N=277,3 кВт «Холодный» теплоноситель – аммиак, испаряется в межтрубном пространстве. Средняя температура аммиака tср(х) = –30 оС -30оС -30оС GХ = 0,215 кг/с Рис. 7. Пример температурной схемы процесса охлаждения дихлорэтана испаряющимся аммиаком с цифровыми значениями 10 величин 13 2.2. Типовые температурные схемы теплообменных процессов и средний температурный напор Тип А. Температурные схемы без фазового превращения обоих теплоносителей Тип Б. Температурные схемы с фазовым превращением одного или обоих теплоносителей А1. Противоточное движение теплоносителей Б1. Нагрев холодного потока конденсирующимся паром t t А2. Прямоточное движение теплоносителей Б2. Испарение жидкости охлаждающимся теплоносителем t t А3. Смешанное движение одного или обоих теплоносителей Б3. Испарение жидкости конденсирующимся паром t t Средний температурный напор вычисляют по уравнениям * t ср t * t ср t t а* t б* ln(t а* t б* ) t tб* t а* ln(tб* t а* ) t а* tб* 2 при при 0,5 tа* t б* ; t а* tб* (2.1) 2,0, где t а* (t аг tах ), t б* (t бг tбх ) – температурные напоры на стороне «а» и на стороне «б» теплообменника; t – коэффициент учета уменьшения температурного напора в многоходовых теплообменниках для схем типа А3. 14 Поправочный коэффициент t для многоходовых теплообменников находят, как правило, по номограммам [7. C.560]. Вначале вычисляют безразмерные параметры: R T1 T2 t 2 t1 и P t 2 t1 , T1 t1 (2.2) где t1 и t2 – начальная и конечная температура теплоносителя в межтрубном пространстве; Т1 и Т2 – то же другого теплоносителя в трубном пространстве, оС. Затем по номограмме (рис. 8) определяют значение t . Рис. 8. Уменьшение среднего температурного напора трубному пространству теплообменниках в многоходовых по Среднее значение температуры «горячего» (г) и «холодного» (х) теплоносителей вычисляют по соотношениям t ср 0,5t a tб , (2.3) * t ср(г) t ср(х) tср . (2.4) По формуле (2.3) находят значение средней температуры теплоносителя, у которого абсолютная разница значений температур на входе и выходе из теплообменника ta t б имеет меньшее значение. По формуле (2.4) после необходимого преобразования вычисляют среднее значение температуры второго теплоносителя. 2.3. Тепловой баланс теплообменных процессов Общее уравнение теплового баланса, кВт, в интегральной форме имеет вид 15 N п N р M i ci ti Mrx MH , (2.5) где N – непрерывные тепловые потоки, кВт; Mi – масса аппарата, реакционной массы, теплоносителя, кг; сi – теплоемкость i-й части системы, кДж/(кгК); ti =(tк – tн)i – разница между конечным и начальным значениям температуры i-й части системы, град; M – масса вещества, которое испарилось (знак плюс) или сконденсировалось (знак минус), кг; r – удельная теплота парообразования, кДж/кг; x – степень сухости пара; M – масса вещества, с которой произошли физико-химические процессы, кг; H – удельный тепловой эффект физико-химических процессов (теплота гидратации, кристаллизации и др.), кДж/кг; – длительность основной части периодического процесса, с. В непрерывных стационарных процессах правая часть уравнения (2.5) равна нулю. Отдельные слагаемые левой части уравнения (2.5) вычисляют по уравнениям (2.6) – (2.9), кВт: – нагревание или охлаждение теплоносителя N1 G1c1 ta tб ; (2.6) – испарение или конденсация теплоносителя N 2 G2 r 2 х2 ; (2.7) – физико-химические превращения N 3 δG3 ΔН 3 ; (2.8) – тепловые потери или потери холода * N п п Fп t п , (2.9) где G – массовый расход теплоносителя, кг/с; αп – коэффициент теплоотдачи от поверхности аппаратов в окружающий воздух, Вт/(м2К), п 9,74 0,07tп* ; tп* – разница между температурой внешней поверхности теплоизоляции и окружающей среды, град; Fп– площадь внешней поверхности аппарата, м2. При проектировании толщину слоя теплоизоляции из выбирают так, чтобы температура внешней поверхности теплоизо- 16 ляции аппарата tи не превышала, как правило, 50 оС, а удельный поток тепловых потерь находился на уровне qп 500 Вт м 2 . из из t к tи qп , (2.10) где из – коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, Вт/(мград); tк tи – разница между значениями температуры корпуса аппарата и внешней поверхности теплоизоляции, град. На этапе выполнения предварительного расчета, когда габаритные размеры теплообменника и площадь внешней поверхности аппарата неизвестны, тепловые потери не учитывают. 2.4. Предварительный расчет площади поверхности Необходимую площадь поверхности, м2, теплообменника вычисляют по основному уравнению теплообмена: F 1000 N * Ktср или F 1000 N , q (2.11) где К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); q – удельный тепловой поток, Вт/м2. Коэффициент теплопередачи рассчитывают по уравнению аддитивности термических сопротивлений 1 1 1 rг ст rх . K г ст х (2.12) В уравнении (2.12) коэффициенты теплоотдачи α, Вт/(м2К), в первом приближении оценивают по соотношению , t (2.13) где – коэффициент теплопроводности среды, Вт/(мК); t – условная толщина теплового пограничного слоя, м. При конденсации паров значение берут для образующегося конденсата, жидкости. Условная толщина теплового пограничного слоя t зависит от вида теплоотдачи, режима движения и других факторов (табл. 2). 17 Таблица 2 Условная толщина теплового пограничного слоя Вид теплоотдачи Условия процесса t103, м Нагрев, охлаждение Конденсация паров Кипение жидкостей Движение потока внутри труб Поперечное обтекание труб снаружи При отсутствии инертных газов В присутствии инертных газов Докритический режим 0,3 0,2 0,05 0,2 0,3 Значения термических сопротивлений слоев загрязнений на стенке ri и самой стенки rст ст / ст в первом приближении приведены в табл. 3. Таблица 3 Примерные значения термических сопротивлений Объект Слой загрязнения Теплопередающая стенка Теплоноситель или материал стенки Оборотная вода Рассол, органические жидкости, водяной пар Пары органических веществ, хладонов, дистиллированная вода Вода загрязненная, нефтепродукты сырые Воздух Нержавеющая сталь Углеродистая сталь Латунь r103, м2К/Вт 0,50 0,17 0,08 0,70 0,35 0,14 0,06 0,02 2.5. Выбор стандартного теплообменного аппарата Для обеспечения интенсивного теплообмена и уменьшения скорости образования отложений режим движения жидких или газообразных теплоносителей должен быть турбулентным, т.е. должны выполняться условия: – при продольном течении в трубках Re тр Wтр d вн тр тр 10 000; (2.14) – при поперечном обтекании труб Re мт Wм d нар м м 18 1000 . (2.15) Эти условия определяют необходимую площадь проходного сечения трубного Sтр и межтрубного Sмт пространств теплообменника, м2: S тр S мт Gтр трWтр Gтр d вн тр 104 , Gм Gм d нар , мWм м 103 (2.16) (2.17) где dвн и dнар – внутренний и наружный диаметры теплообменных труб, м; – динамический коэффициент вязкости, Пас; W – скорость теплоносителя, м/с. Необходимые площади проходных сечений в случае температурных схем типа А1 – А3 вычисляют для обоих теплоносителей, в случае температурных схем типа Б1 и Б2 – одного теплоносителя, который нагревается или охлаждается. При реализации температурной схемы типа Б3 такие расчеты не выполняют. На основе полученных данных по табл. 4 или 5 выбирают стандартный аппарат или группу аппаратов, соединенных потоками теплоносителей последовательно или параллельно (рис. 9). Gтр Gм Gтр Gм Рис. 9. Примеры схем последовательной и параллельной работы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов 19 Таблица 4 Основные характеристики теплообменников ТН, ТК и холодильников ХН, ХК с трубами 25×2 мм (ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79, ГОСТ 12122-79). Площадь поверхности теплообмена F, м2, при длине труб, м 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 6,0 для одноходовых аппаратов 159* 13 1,0 1,5 2,0 3,0 273* 37 3,0 4,5 6,0 9,0 325* 62 7,5 10,0 14,5 19,5 400 111 17 26 35 52 600 257 40 61 85 121 800 466 73 109 146 219 1000 747 176 235 352 1200 1083 340 510 для двухходовых аппаратов 325* 56 6,5 9,0 13,0 17,5 400 100 16 24 31 47 600 240 38 57 75 113 800 442 69 104 139 208 1000 718 169 226 338 1200 1048 329 494 для четырехходовых аппаратов 600 240 32 49 65 97 800 442 63 95 127 190 1000 718 157 209 314 1200 1048 310 464 д ля шестиходовых аппаратов 600 240 31 46 61 91 800 442 60 90 121 181 1000 718 151 202 302 1200 1048 301 451 * Диаметр кожуха наружный (изготовление из труб) Диаметр кожуха внутренний, Dвн, мм Общее число труб 20 20 9,0 Площадь проходного Число Расстояние сечения, м2 рядов труб между перегоSт102 Sм102 Sв.п. 102 в пучке, шт. родками, мм 329 528 765 0,5 1,3 2,1 3,8 8,9 16,1 25,9 37,5 0,8 1,1 2,9 3,1 5,3 7,9 14,3 17,9 0,4 0,9 1,3 2,0 4,0 6,9 10,6 16,4 5 7 9 11 17 23 29 35 100 130 180 250 300 350 520 550 312 507 740 1,0 1,7 4,2 7,7 12,4 17,9 1,5 2,5 4,5 7,0 13,0 16,5 1,3 2,0 4,0 6,5 10,6 16,4 8 10 16 22 28 34 180 250 300 350 520 550 285 471 697 1,8 3,0 5,5 8,4 4,5 7,0 13,0 16,5 4,0 6,5 10,6 16,4 14 20 26 32 300 350 520 550 271 454 677 1,1 2,2 3,6 5,2 4,5 7,0 13,0 16,5 3,7 7,0 10,2 14,2 14 20 26 32 300 350 520 550 Таблица 5 Основные характеристики испарителей ИН, ИК и конденсаторов КН, КК с трубами 25×2 мм (ГОСТ 15119-79, ГОСТ 15121-79) Диаметр кожуха внутренний, Dвн, мм Число теплообменных труб 21 общее на 1 ход 600 800 1000 1200 261 (279) 473 (507) 783 (813) 1125 (1175) 261 473 783 1125 600 800 1000 1200 244 (262) 450 (484) 754 (784) 1090 122 225 377 545 600 800 1000 1200 210 (228) 408 (442) 702 (732) 1028 52,5 102 175,5 257 Площадь поверхности теплообмена F, м2, при длине труб (по dнар) 3 4 6 одноходовых аппаратов 40 61 81 74 112 150 121 182 244 260 348 двухходовых аппаратов 57 76 114 106 142 212 175 234 353 338 509 четырехходовых аппаратов 49 65 98 96 128 193 163 218 329 318 479 шестиходовых аппаратов 46 62 93 93 123 185 160 213 319 314 471 Типы аппаратов 2 Испарители ИН, ИК Конденсаторы КН, КК Площадь проходного сечения, м2 по тру- в вырезе пебам регородки Sт102 Sв.п 102 Расстояние по диагонали до хорды сегмента, мм Допускаемое значение разности температур кожуха и труб для ТН, ХН, КН, ИН, оС 9 16,7 27 39 4,9 7,7 12,1 16,8 111 166 194 222 40 40 50 60 4,2 7,8 13,1 18,9 4,9 7,7 12,1 16,8 111 166 194 222 40 40 50 60 1,8 3,1 6,0 8,5 4,9 7,7 12,1 16,8 111 166 194 222 40 40 50 60 600 198 (216) 33 1,14 4,9 166 40 800 392 (426) 65,3 2,2 7,7 194 40 1000 678 (708) 113 3,8 12,1 250 50 1200 1000 166,6 5,7 16,8 305 60 Примечания: 1. В скобках указано общее количество труб для случая, когда нет отбойников и трубы добавлены с двух сторон (см. ГОСТ 15118-79). 2. Расстояние по диагонали до хорды сегмента приведены для теплообменников и холодильников. 21 2.6. Поверочный расчет выбранного теплообменника На данном этапе вначале вычисляют точные значения коэффициентов теплоотдачи αт, с учетом конкретных гидродинамических условий процесса передачи теплоты и теплофизических свойств теплоносителей. Необходимые расчетные уравнения выбирают из перечня, который приведен в [7. C.157]. Затем рассчитывают значения коэффициента теплопередачи Кт, удельного теплового потока qт, необходимую площадь поверхности теплообмена Fрасч. Методика выполнения таких расчетов и многочисленные примеры приведены в книгах [7 – 11]. Приводим основные уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи, в которых используются критерии подобия Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля: Nu d ; Re Wd ; Pr c . (2.18) Нагревание или охлаждение в прямых трубах: – при развитом турбулентном течении (Re >103) 0, 43 0, 25 Nu 0,021l Re Pr ; – при ламинарном режиме движения (Re<2300) Pr Pr cт 0,8 Nu 1,55 l Re d l 1/ 3 Pr 0 , 43 cт (2.19) 0 ,14 , (2.20) где l – поправочный коэффициент, учитывающий влияние входного участка, в кожухотрубчатых теплообменника; l 1; d – внутренний диаметр труб, м; l – длина труб, м. Теплоотдача при наружном обтекании труб: – при Re > 1000 для шахматных пучков Nu 0, 4 Re 0, 6 Pr 0, 36 Pr Pr cт 0 , 25 ; (2.21) – при Re < 1000 для коридорных и шахматных пучков Nu 0,56 Re 0,5 Pr 22 0, 36 Pr Pr cт 0 , 25 , (2.22) где – поправочный коэффициент, который учитывает влияние угла между осью пучка труб и направлением потока теплоносителя; для кожухотрубчатых теплообменников с поперечными перегородками рекомендуют принимать 0,6. Теплоотдача при конденсации паров: – вертикальный пучок из трубок диаметром d и высотой Н 2nd г 3,78 t G 1 / 3 2 rg 1, 21 t H 1 3 q 1 / 3 ; (2.23) – горизонтальный пучок с трубками по вертикали длиной l 2 n l г 2,02 n t G г 1 3 2 r g 0,645 n t d 1 3 q 1 / 3 , (2.24) где t – поправочный коэффициент, учитывающий влияние температуры стенки; – коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); – плотность конденсата, кг/м3; n – общее число теплообменных труб; d – наружный диаметр труб, м; L – длина труб, м; - динамический коэффициент вязкости конденсата, Пас; r – удельная теплота парообразования, Дж/кг; n – коэффициент учета влияния числа рядов труб по вертикали nв. 3 t ст ст 1/ 8 ; n 1 0,11 nв 1 . (2.25) Теплоотдача при пузырьковом режиме кипении жидкости: 2 2 х b3 q Т кип Zxq 2 3 Zx q пар b 0,075 0,75 ж пар 0 , 67 , (2.26) 2 3 , где – кинематический коэффициент вязкости жидкости, м2/с; – поверхностное натяжение, Н/м; Т кип – температура кипения жидкости, К. 23 Основные рекомендации 1. Для теплоносителя, который только нагревается или охлаждается, коэффициент теплоотдачи вычисляют по критериальному уравнению вида Nu f ( Re , Pr , Gr, Pe) . Вначале находят фактическую среднюю скорость теплоносителя Wф=G/( S) и значение критерия Рейнольдса (2.14), (2.15). Затем из перечня возможных уравнений [7. С.151] выбирают одно, которое соответствует по значению числа Рейнольдса. Вычисляют значение критерия Нуссельта, а затем находят значение соответствующего коэффициента конвективной теплоотдачи по уравнению α Nuλ d . (2.27) В критериальные уравнения конвективной теплоотдачи (2.19 – 2.22) входит множитель (Pr/Prст)0,25, который учитывает направление теплового потока. Значение критерия Прандтля Pr cμ λ вычисляют по теплофизическим свойствам теплоносителя при его средней температуре, а значение Prст – при температуре стенки. Для газов Pr практически не зависит от температуры, поэтому принимают (Pr/Prст)0,251. Для нагревающихся жидкостей в первом приближении также принимают (Pr/Prст)0,251, а для охлаждающихся – (Pr/Prст)0,250,93 с последующим уточнением. 2. Для условно «горячего» теплоносителя, который в теплообменнике конденсируется, коэффициент теплоотдачи вычисляют, как правило, по уравнениям вида г Zг q 1 / 3 Zг q 0 , 33 , (2.28) где Zг – комплекс из теплофизических свойств образующегося конденсата и других показателей. 3. Для условно «холодного» теплоносителя, который в испарителе или теплообменнике испаряется, кипит, коэффициент теплоотдачи вычисляют, как правило, по уравнениям вида х Zxq 2 / 3 Zxq 0 , 67 , (2.29) где Zx – комплекс из свойств кипящей жидкости и конструктивных данных теплообменника. 24 Совместное рассмотрение выражений (2.12), (2.27) – (2.29) дает, в зависимости от вида температурной схемы, уравнения: 1, 33 – для схемы Б1 q q * Rq tср 0 ; Zг х – для схемы Б2 q q * Rq t ср 0 ; г Zx – для схемы Б3: q q * Rq t ср 0 , Zг Zx (2.30) 0, 33 1,33 (2.31) 0 ,33 (2.32) где R – общее термическое сопротивление стенки с учетом загрязнений; R rг ст ст rх . Неизвестный удельный тепловой поток q по уравнениям (2.30) – (2.32) вычисляют методом последовательного приближения или в Excel по процедуре «Подбор параметра». Эта процедура находит такое значение удельного теплового потока q, которое является решением заданного уравнения. Например, расчет из примера 4.25 [7. С.194] выполняют следующим образом. 1. Открывают Excel, в котором создают таблицу числовых данных. В ячейку В3 записывают ориентировочное значение q=26000 Вт/м2 в первом приближении, в ячейки С3, D3, E3, F3 числовые данные, а в ячейку G3 вводят расчетную формулу G3 : C3 * B3^1,33 D3 * B3 E3 * B3^0,33 - F3 . (2.33) A B C D E F G 2 Величина q 1/Г R 1/X Dt y 3 Значение 26000 4,61E-6 3,88E-4 0,412 21,7 3,62 1 Поскольку в ячейке G3 вычисленная величина у =3,62 ≠ 0, значение q=26000 не является решением уравнения (2.32). 2. Выделяют ячейку G3 с формулой (2.33), в меню «Данные» открывают панель «Работа с данными», выходят на команду «Подбор параметра», вводят данные, рис. 10 (в старых версиях MS Excel выполняют команды «Сервис» «Подбор параметра»). 25 Рис. 10. Ввод числовых данных для расчета и выход на процедуру «Подбор параметра» 3. Вводят параметры расчета и выполняют расчет. В ячейке В3 считывают искомый результат q =20962 Вт/м2. В ячейке G3 считывают дебаланс расчета у =0,00005. 4. После вычисления удельного теплового потока q рассчитывают температуры стенки со стороны «горячего» и «холодного» теплоносителей (рис. 11) по уравнениям: t г(ст) tг q ; г t х(ст) q tх . г (2.34) Полученные значения должны удовлетворять равенству ( ст ) tг tг ( ст ) tх ст tг(ст) tх(ст) tг ст tх tх Рис. 11. Температурная схема у стенки с тепловыми пограничными слоями 26 Rq . (2.35) По вычисленным значениям температур стенки рассчитывают фактические значения коэффициента (Pr/Prст)0,25 со стороны «горячего» и «горячего» теплоносителей. Подставляют их в расчетные критериальные уравнения вида (2.19) – (2.22), получают точные значения коэффициентов теплоотдачи, а затем коэффициента теплопередачи. В завершение по уравнению (2.11) вычисляют площадь поверхности теплообмена Fрасч. Фактическая площадь поверхность теплообмена выбранного аппарата или аппаратов Fфакт должна соответствовать условию Fфакт kFрасч , (2.36) где k – коэффициент запаса поверхности для ремонта; k 1,15 . Таким образом, тепловой расчет теплообменника включает: 1) Приближенную оценку необходимой поверхности теплообмена с использованием значений коэффициентов теплоотдачи, вычисленных по соотношению (2.13). 2) Точный расчет с использованием уравнений вида (2.18) – (2.26) без учета поправки на температуру стенки (Pr/Prст)0,25. 3) Уточненный расчет с учетом поправки на температуру стенки. Вопросы для самопроверки 1. Какие параметры включает температурная схема теплообменного процесса? 2. Какой параметр называют средним температурным напором? Как рассчитывают средний температурный напор в многоходовых теплообменниках? 3. По каким уравнениям рассчитывают тепловую нагрузку непрерывного теплообменного процесса? 4. Какие слагаемые включает уравнение аддитивности термических сопротивлений процесса теплопередачи через плоскую стенку? 5. При каких значениях числа Рейнольдса обеспечивается турбулентный режим движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах? 6. Какой параметр называют удельным тепловым потоком? 7. Что учитывает комплекс (Pr/Prст)0,25 в критериальных уравнениях? 27 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ Задачей гидравлических расчетов является расчет фактических скоростей движения теплоносителей в теплообменнике и его гидравлического сопротивления. Увеличение скорости движения теплоносителей в трубопроводах позволяет уменьшить диаметр трубы, но это вызывает увеличение гидравлического сопротивления и расхода механической энергии на транспортировку. Ориентировочные значения скоростей находят на основании опыта эксплуатации трубопроводов и технико-экономических расчетов (табл. 6). Таблица 6 Ориентировочные значения скоростей в трубопроводах W, м/с Наименование потоков Жидкости при движении самотеком Жидкости во всасывающих трубопроводах насосов Жидкости в нагнетательных трубопроводах насосов Газы при естественной тяге Газы в газоходах вентиляторов Газы в нагнетательных трубопроводах компрессоров Пары, насыщенные при абсолютном давлении 100…250 кПа Пары, насыщенные при абсолютном давлении 20…50 кПа Пары, насыщенные при абсолютном давлении 5…20 кПа Перегретые пары 0,1 … 0,5 0,5 ... 1,5 1…3 2…4 4 … 15 10 … 25 20 … 40 40 … 60 60 … 75 30 … 50 Среднюю линейную скорость потоков в штуцерах, в трубном и в межтрубном пространстве, м/с, вычисляют по уравнению объемного расхода: W G , ρS (3.1) где G – массовый расход теплоносителя, кг/с; - плотность, кг/м3; S – площадь проходного сечения, м2. Значения площадей проходного сечения трубного и межтрубного пространств берут из табл. 4 или 5. Площадь проходного сечения штуцера с внутренним диаметром d представляет собой площадь круга, м2: S d 2 2 4 0, 785d . 28 (3.2) Плотность паров, газов, кг/м3, при умеренных давлениях вычисляют по уравнению состояния идеальных газов ρ μ P μ P T0 Rμ T 22, 4 P0 T , (3.3) где – молярная масса вещества, кг/кмоль; Rμ – универсальная газовая постоянная, кДж/кмоль; R = 8,314; Р – абсолютное давление, кПа; Р0 – нормальное давление, кПа; Р0 = 101,3 (760 мм рт. ст.); Т – абсолютная температура, К; Т0 – нормальная температура, К; Т0 = 273; 22,4– объем 1 кмоль идеального газа в нормальных условиях, м3/кмоль. Молярную массу парогазовой смеси, кг/кмоль, вычисляют по уравнению Дальтона: см i y i , (3.4) yi 1 , где i – молярная масса i-го вещества, кг/кмоль; уi – объемная (молярная) доля компонента в парогазовой смеси. Для теплоносителей, которые нагреваются или охлаждаются, вычисляют гидравлическое сопротивление. Гидравлическое сопротивление трубного пространства, Па, рассчитывают по уравнению 2 2 n lтр Wтр Wшт Pтр тр шт , 2 d вн 2 (3.5) где lтр – длина теплообменной трубы, м; n – число ходов по трубному пространству; тр – коэффициент местного сопротивления; Wтр и Wшт – скорости потоков в трубах и штуцерах. Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства с поперечным обтеканием шахматного пучка труб, Па, рассчитывают по уравнениям: Pмт 2 1 k Eu мт 2 Wмт2 Wшт шт ; 2 2 Eu b 2,7 1,7 m Re 0, 28 , (3.6) (3.7) где Eu – критерий Эйлера; b– поправочный коэффициент, учитывающий угол между осью трубы и направлением движения потока; для кожухотрубчатых теплообменников b = 0,83; k – число поперечных перегородок; m – число рядов труб в пучке. 29 Число поперечных перегородок находят по известным данным длины труб и расстояния между перегородками (табл. 4). Значения коэффициентов местных сопротивлений для кожухотрубчатых теплообменниках приведены в табл. 7. Таблица 7 Значения коэффициентов местных сопротивлений Пространство Трубное Межтрубное Штуцера Местное сопротивление Вход в трубы или выход из них Поворот на 180о между ходами или секциями Поворот на 180о через перегородку поворот на 90о в межтрубном пространстве Входная или выходная камера Вход в межтрубное пространство или выход из него 1,0 2,5 1,5 1,0 1,5 1,5 В процессе конденсации или испарения (кипения) происходит многократное изменение плотности теплоносителя и его объемного расхода. Поэтому для таких теплоносителей при гидравлическом расчете вычисляют фактические значения скорости в парообразном и в жидком состояниях во входном и выходном штуцерах, а также внутри теплообменника на входе и на выходе. Гидравлическое сопротивление не рассчитывают. Вопросы для самопроверки 1. По какой формуле рассчитывают скорости теплоносителей в штуцерах, в трубках, в межтрубном пространстве теплообменника? 2. С какой скоростью рекомендуется транспортировать жидкости по трубопроводам? На основании чего выбран этот диапазон скорости? 3. Какие параметры влияют на гидравлическое сопротивление трубного пространства? 4. Нарисуйте схему движения теплоносителя в межтрубном пространстве с поперечными перегородками. Как находят число перегородок? 5. Какие параметры влияют на гидравлическое сопротивление межтрубного пространства? 6. Почему не рассчитывают гидравлическое сопротивление для теплоносителя, который в теплообменнике конденсируется или испаряется? 30 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ Задачей механических расчетов является обеспечение прочности аппарата в рабочих условиях. Механические расчеты выполняют по стандартам, нормам и утвержденным руководящим материалам [12]. Основным техническим параметром кожухотрубчатых теплообменных аппаратов является толщина стенок корпуса и крышки. На этом этапе подбирают также конструктивные параметры опор. 4.1. Расчет толщины стенок Толщину цилиндрических обечаек, мм, рассчитывают по уравнению s pD С1 С2 С3 , 2 p (4.1) где р – расчетное давление, МПа; D – внутренний диаметр обечайки, мм; [] – допускаемое напряжение, МПа; – коэффициент прочности сварного шва; С1 – прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм; С2 – прибавка для компенсации минусового допуска, мм; С3 – технологическая прибавка для компенсации утонения стенки при технологических операциях, мм. Если в теплообменнике один из теплоносителей относится к опасным (является взрыво- или пожароопасным, токсичным), теплообменник рассчитывают, как правило, на давление 1 МПа. При отсутствии ограничений в учебных проектах расчетное давление следует принять равным 1,0 или 1,6 МПа. Коэффициент прочности сварного шва = 1,0 при контроле шва на длине 100%-м и = 0,9 при 50% -м контроле длины шва. Допускаемые напряжения для конструкционных материалов зависят от материала и рабочей температуры (табл. 8). Исполнительную толщину стенки выбирают из стандартного ряда толщин труб или листового проката. Фактическая толщина должна быть больше расчетной и обеспечивать жесткость обечайки. Минимальная толщина цилиндрических обечаек без прибавки на коррозию и эрозию составляет 2 мм при диаметре до 400 мм, 3 мм при диаметре до 1000 мм и 4 мм при диаметре до 2000 мм. 31 Таблица 8 Нормативные допускаемые напряжения для некоторых конструкционных материалов Значение [], МПа, в зависимости от температуры 20оС 100оС 200оС 140 134 126 147 142 136 183 160 148 146 141 134 160 152 140 140 130 110 240 207 193 133 118 93 44 44 40 15 10,5 4,5 Марка материала Сталь Ст.3 Сталь 20, 20К Сталь 09Г2С, 16ГС, 17ГС Сталь нерж. 15Х5М Сталь нерж. 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т Сталь нерж. 08Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т Сталь нерж. 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т Титан ВТ1-0 Медь отожженная Алюминий В кожухотрубчатых теплообменных аппаратах применяют стандартные эллиптические и плоские днища. Стандартное эллиптическое днище состоит из цилиндрической и выпуклой частей (рис. 12, табл. 9). Днища с наружными базовыми диаметрами Dн используют для корпусов из труб, а с внутренними базовыми диаметрами Dвн – для корпусов, свальцованных из листов. Таблица 9 Размеры эллиптических отбортованных днищ, мм (ГОСТ 6533-78) Dн hц Нd Dвн 159 273 325 426 25 25 25 25 25 40 40 68 81 106 400 600 800 1000 157 1200 630 hц 25, 25, 25, 25, 25, 60, 40 40 40 40 40 80 Нd 100 150 200 250 300 Рис. 12. Днище эллиптическое Высота цилиндрической части определяется толщиной стенки днища. При толщине менее 10 мм высота цилиндрической части составляет 25 мм. 32 Необходимую толщину эллиптических днищ, мм, вычисляют по уравнению s pR С1 С2 С3 , 2[] p/ 2 (4.2) где R – максимальный радиус кривизны днища, мм; R D 2 4 H ; После изготовления все сосуды подлежат гидравлическому испытанию. Значение пробного давления Рпр в сварном аппарате, МПа, принимают в зависимости от расчетного давления Рр: Рпр 1,25 20 P , t р (4.3) где [σ20] – допускаемое напряжение для материала сосуда и его элементов при температуре 20 °С, МПа; [σt] – то же при рабочей температуре, МПа; Рр – расчетное давление сосуда, МПа. При значении рабочей температуры в аппарате не выше 200 °С отношение [σ20]/[σt] принимают равным 1. Толщину трубной решетки, м, исходя из условия закрепления труб развальцовкой с обваркой, определяют из условия sр (0,435 d т 0,0015)102 0,01 , tр d т (4.4) где dт – наружный диаметр труб, м; tp – шаг отверстий в трубной решетке м. В теплообменниках типа ТН и ТК трубы размещают по вершинам равносторонних треугольников. Значения шага (расстояния между осями труб) определяется наружным диаметром труб: dт, мм tp, мм 16 21 20 26 25 32 38 48 57 70 Минимальная толщина поперечных перегородок в межтрубном пространстве зависит от диаметра кожуха: D, мм sп, мм ≤ 400 6 500 … 600 10 800 … 1000 12 ≥ 1200 14 Диаметр стяжек, которые фиксируют поперечные перегородки, принимают 12 мм при D ≤ 600 мм и 16 мм при D ≥ 800 мм. Количество стяжек должно быть не менее 6 при D ≤ 1000 мм; 8 – при D = 1200 мм и 10 – при D ≥1400 мм. 33 4.2. Опоры Опорные лапы для вертикальных аппаратов состоят из двух вертикальных косынок и горизонтального основания (рис. 13). Опорные лапы изготавливают двух типов: тип 1 предназначен для аппаратов без теплоизоляции; тип 2 (с увеличенным вылетом) предназначен для аппаратов с теплоизоляцией. Приваривают опоры непосредственно к корпусу теплообменника или к накладному листу прямоугольной формы для обеспечения жесткости корпуса в месте присоединения опоры. Число опорных лап составляет: Рис. 13. Опорная лапа для верти– 2 штуки при D < 600 мм, а также кальных аппаратов (к табл. 10) при диаметре кожуха 600 или 800 мм и длине трубок не более 2000 мм; – 4 штуки при диаметре 600 или 800 мм и длине трубок более 2000 мм, а также при диаметре 1000 или 1200 мм и любой длине трубок. Размеры опорных лап выбирают по табл. 10 в зависимости от максимальной нагрузки Q на одну опору. Таблица 10 Конструктивные размеры опорных лап для вертикальных аппаратов, мм (ОСТ 26-665-79) Q, кН 1,6 4 10 25 40 Тип а 1 45 2 I 75 2 I 90 2 1 125 2 I 150 2 a1 65 95 115 155 190 b 60 100 95 160 115 195 155 255 185 315 С 15 20 30 45 45 34 h 85 120 140 190 170 235 230 310 295 390 h1 8 4 10 5 14 6 16 8 30 10 К1 10 15 20 25 30 К 15 25 25 40 30 50 40 65 60 80 d 12 12 24 24 35 Q, кН 63 100 160 Тип а I 185 2 I 250 2 I 300 2 a1 b 230 380 310 520 390 650 230 310 380 С h 360 470 475 620 585 780 60 65 65 h1 24 12 30 16 35 20 Окончание табл. 10 К1 К d 70 35 35 100 95 40 42 130 115 60 42 180 Масса пустого аппарата складывается из масс, кг: – всех труб nобщ толщиной стенки т mт d cp т l т nобщ м ; (4.5) – обечайки корпуса длиной lт и обечаек крышек длиной l1 и l2 mк Dк sк lт l1 l 2 м ; (4.6) – всех перегородок k, 2 – трубных решеток, торцов крышек 2 mр 0,785 Dк ksп 2s т.р s1 s2 м ; (4.7) где s – толщина указанных элементов, м; L – их длина, м; м – плотность материала, кг/м3; для стали м 8000. В рабочем состоянии трубное и межтрубные пространства теплообменника заполнены теплоносителями, а при гидравлическом испытании – водой. Объем трубного пространства с крышками и объем межтрубного пространства составляют, м3: 2 2 Vт 0,785[ d вн nобщ l т Dк (l1 l2 )] , 2 Vмт 0,785 Dк2 dнар nобщ l т . (4.8) (4.9) Общую нагрузку на опоры теплообменника, кН, при гидравлическом испытании водой находят по уравнению Q 0,001 [mт mк mп Vт Vмт H 2 O ] g . (4.10) Стандартные седловые опоры предназначены для горизонтальных теплообменных аппаратов. Тип I предназначен для аппаратов с наружным диаметром не более 630 мм и имеет два исполнения в зависимости от количества отверстий под фундаментные болты (рис. 14). Опора состоит из гну35 той стойки, двух ребер жесткости и опорного листа. Размеры опоры определяют по табл. 11 в зависимости от наружного диаметра кожуха с последующей проверкой по допустимой нагрузке. Рис. 14. Седловая опора для горизонтальных аппаратов с диаметром кожуха Dн = 159 … 630 мм, тип 1 (к табл. 11) Таблица 11 Размеры седловых опор типа 1, мм (ОСТ 26-1265-75) Dн /Dвн s1 s2 R L l h В B2 А Q, кН 159/ – 6 10 84 180 90 75 120 140 140 16 273/ – 6 10 141 290 190 100 120 140 250 20 325/ – 6 10 167 400 240 125 180 230 330 20 – /4 00 8 14 222 400 240 135 180 220 330 50 – /6 00 10 16 322 600 340 200 160 230 450 80 36 Опоры типа 2 предназначены для аппаратов диаметром 800 мм и более. Они имеют два исполнения в зависимости от допускаемой нагрузки. Опора типа 2 (рис. 15) состоит из стойки, основания, трех ребер жесткости и опорного листа. Размеры опоры определяют по табл. 12. Рис. 15. Седловая опора для горизонтальных аппаратов с диаметром кожуха более 799 мм, тип 2 (к табл. 12). Таблица 12 Размеры седловых опор типа 2, мм (ОСТ 26-1265-75) Dвн 800 1000 1200 1400 Исполнение s1 s2 I 2 I 2 I 2 I 2 8 14 8 14 8 12 8 12 14 18 14 18 14 18 14 20 R* L l B 422 740 730 250 360 500 522 1000 980 250 360 650 622 1100 1080 250 360 800 722 1250 250 400 950 1230 B2 * Значение R дано для опорных листов толщиной 6 – 1 2 мм. 37 A Q, кН 80 160 125 200 125 200 160 250 Аппараты устанавливают на двух седловых опорах: неподвижной и подвижной. Подвижная опора для температурной компенсации может скользить по фундаменту за счет овальной формы болтовых отверстий и зазора между гайкой и основанием ширирой 1 – 2 мм. Детали седловых опор сваривают между собой сплошными односторонними угловыми или тавровыми швами, а опорный лист приваривается к деталям опоры прерывистым угловым швом. К корпусу теплообменника опорный лист может привариваться внахлестку прерывистым швом. Вопросы для самопроверки 1. Какие параметры влияют на необходимую толщину цилиндрической обечайки теплообменника? 2. Для чего проводят гидравлическое испытание теплообменника? 3. Из каких частей состоит эллиптическое днище? 4. Для каких вертикальных теплообменников следует использовать четыре опорные лапы? 5. Чем отличаются опорные лапы разного исполнения? 6. Как рассчитывают нагрузку на одну опору теплообменного аппарата? 38 5. КОНСТРУКЦИИ И РАЗМЕРЫ АППАРАТОВ 5.1. Испарители по ГОСТ 15119-79 В вертикальных испарителях по ГОСТ 15119-79 «горячий» теплоноситель подают в межтрубное пространство. Если «горчим» теплоносителем является жидкость или газ, используют аппарат исполнения 1 (рис.16), если конденсирующийся пар – аппарат исполнения 2 (рис.17). Рис. 16. Испаритель вертикальный, исполнение I, обогревание жидкостью или газом (к табл. 13) Рис. 17 . Испаритель вертикальный, исполнение 2, обогревание конденсирующимся паром (к табл. 14) 39 Таблица 13 Основные размеры испарителей исполнения 1, мм (ГОСТ 15119-79) Диа- Давлеметр ние в кожу- кожухе ха, Ру, Dвн МПа 600 1,0; 1,6 40 800 1000 1200 1400 1,0; 1,6 0,6; 1,0; 1,6 0,6; 1,0; 1,6 0,6; 1.0; 1,6 Размещение перегородок l L A А0 Dу Dу1 Dу2 Dк H/2 A1 l1 l2 lк l3 2000 3080 1500 3000 4080 2500 4000 5080 2000 число 1200 700 1500 900 3500 1800 1000 10 3350 1450 1200 700 4 3000 4350 2450 1500 900 4000 5350 3450 1800 1000 8 2000 3480 1350 1300 800 2 3000 4430 2350 1500 900 4000 3480 3350 1800 1000 3000 4740 2200 4000 5740 3200 3000 4850 2250 4000 5850 3250 540 630 690 200 250 300 100 150 200 300 400 400 780 966 1166 530 627 729 866 1200 1470 400 500 550 830 350 250 500 1366 831 1740 670 820 350 250 500 1566 990 1920 710 40 1500 900 1800 1000 1500 900 1800 1000 4 300 350 520 8 6 4 6 550 600 4 6 4 6 Таблица 14 Основные размеры испарителей исполнения 2, мм (ГОСТ 15119-79) Диаметр кожуха, Dвн Давление в кожухе Ру, МПа 41 600 1,0 600 1,6 800 1,0 800 1,6 1000 0,6; 1,0 1000 1,6 1200 0,6; 1,0 1200 1,6 1400 0,6; 1,0 1400 1,6 l L A 2000 3000 4000 2000 3000 4000 2000 3000 4000 2000 4000 2000 3000 4000 2000 4000 3000 4000 3000 4000 3000 4000 3000 4000 3080 4080 5080 3080 4030 5080 3350 4350 5350 3350 5350 3480 4480 5480 3480 5480 4740 7540 4740 5740 4850 5850 4650 5830 1550 2550 3550 1540 2540 3540 1450 2450 3450 1440 3440 1400 2400 3400 1390 3390 2290 3290 2240 3240 2260 3260 2230 3230 А0 Dу Dу1 Dу2 Dк H/2 A1 l1 570 300 100 300 780 530 866 400 585 250 100 300 780 530 866 400 700 400 150 400 966 627 1200 500 710 300 150 400 966 627 1200 500 720 400 200 400 1166 729 1470 550 730 300 200 400 1166 729 1470 550 850 500 250 500 1366 831 1740 670 860 400 250 500 1366 831 Г740 670 880 500 250 500 1566 990 1920 710 400 250 500 1566 990 1920 710 890 41 l2 lк 1200 1500 1800 1200 1500 1800 1200 1500 1800 1200 1800 1300 1500 1800 1300 1800 1500 1800 1500 1800 1500 1800 1500 1800 700 900 1000 700 900 1000 700 900 1000 700 1000 800 900 1000 800 1000 900 1000 900 1000 900 1000 900 1000 5.2. Холодильники по ГОСТ 15120-79 В трубное пространство холодильника подают воду или другую не опасную среду (табл. 1). Число ходов по трубному пространству может быть равно 2, 4 или 6 (рис. 18). а Рис. 18. Холодильник с диаметром кожуха от 325 до 1200 мм (к табл. 15): а – горизонтальный (пример четырехходового по трубному пространству); б – вертикальный (пример двухходового по трубному пространству) б 42 Таблица 15 Основные размеры холодильников, мм (ГОСТ 15120-79), мм Диаметр кожуха, _Dн_ Dвн Давление в кожухе L l0 A 2 Ру, 4 l2 Dу1 h H/2 h A0 l1 6 Размещение перегородок lк 43 ХКГ ХНГ ХКВ ХКВ 350 500 650 800 500 500 800 1200 400 500 800 1200 400 600 800 1200 400 600 1200 700 1200 800 1200 1500 1800 1200 1500 1800 1800 1200 1500 1800 1800 1200 1500 1800 1800 1500 1800 1800 1500 1800 ХКГ ХКВ l3 число МПа 325 - 1,6; 2,5; 4,0 426 400 1,0; 1,6; 2,5 630 600 1,0; 1,6 __-_ 800 1,0; 1,6 __-_ 1000 0,6; 1,0 _-__ 1200 l Dу при числе ходов по трубам 0,6; 1,0 1500 2000 3000 4000 2000 3000 4000 6000 2000 3000 4000 6000 2000 3000 4000 6000 3000 4000 6000 4000 6000 2200 2700 3700 4700 2690 3690 4690 6690 2900 3900 4900 6900 2990 3990 4990 7200 4200 5200 7200 5330 7330 650 800 1500 2000 800 1500 2000 3000 800 1500 2000 3000 800 1500 2000 3000 1500 2000 3000 2000 3000 1050 1550 2550 3550 1550 2550 3550 5550 1550 2550 3550 5550 1450 2450 3350 5250 2350 3350 5350 3200 5200 100 - - 100 475 150 - - 150 576 363 352 460 250 200 150 100 200 750 530 525 585 310 250 200 150 250 966 627 622 620 315 300 200 150 300 1166 729 722 760 380 350 250 200 350 1366 831 822 835 450 43 298 292 460 235 325 400 750 1000 400 750 1000 1500 400 750 1000 1500 400 750 1000 1500 - 475 700 900 1000 700 900 1000 1000 700 900 1000 1000 700 900 1000 1000 900 1000 1000 900 1000 180 250 300 350 520 550 6 8 14 18 6 10 14 22 4 8 10 18 4 6 8 14 4 6 10 6 8 5.3. Конденсаторы многоходовые по ГОСТ 15121-79 Конденсируемые пары подают в межтрубное пространство через штуцер с диаметром Dy1, конденсат выводят через штуцер с меньшим диаметром Dy2 (рис. 19). а Рис. 19. Конденсатор многоходовой с диаметром кожуха от 600 до 1200 мм (к табл. 16): а – горизонтальный (пример четырехходового по трубному пространству); б – вертикальный (пример шестиходового по трубному пространству) б 44 5.4. Теплообменники по ГОСТ 15122-79 Кожухотрубчатые теплообменники предназначены для нагревания и охлаждения жидких и газообразных сред с широким диапазоном рабочих параметров (табл. 1). Одноходовые по трубному пространству теплообменники с наружным диаметром кожуха 159 и 273 мм оснащают коническими крышками (рис. 20), а с диаметром кожуха от 325 до 1200 мм - эллиптическими крышками (рис. 21). а Рис. 20. Теплообменник одноходовой по трубам с диаметром кожуха 159 и 273 мм (к табл. 17): а – горизонтальный; б - вертикальный б 46 Корпуса теплообменников с диаметром до 400 мм изготавливают из стандартных труб с заданным наружным диаметром Dн, а с диаметром 600 мм и более – изготавливают из листового материала вальцовкой и сваркой с заданным внутренним диаметром Dвн (табл. 17). а Рис. 21. Теплообменник одноходовой по трубам вертикальный с диаметром кожуха от 325 до 1200 мм (к табл. 17): а – горизонтальный; б – вертикальный б 47 Таблица 17 Основные размеры одноходовых теплообменников, мм (ГОСТ 15122-79) 48 Диаметр кожуха _Dн Давление в кожухе Dвн Ру, МПа 159 – 1,6; 2,5; 4,0 273 – 1,6; 2,5 325 – 1,6; 2,5 426 – 1,6; 2,5 630 600 1,6 l2 l L l0 A 1000 1500 2000 3000 1000 1500 2000 3000 1500 2000 3000 4000 2000 3000 4000 6000 2000 3000 4000 6000 1540 2040 2540 3540 1640 2140 2640 3640 2200 2700 3700 4700 2930 3930 4930 6930 2960 3960 4960 6960 350 650 800 1500 350 650 800 1500 650 800 1500 2000 800 1500 2000 3000 800 1500 2000 3000 680 1180 1680 2680 600 1100 1600 2600 1050 1550 2550 3550 1550 2550 3550 5550 1500 2500 3500 5500 Dy Dy1 Dк _h_ Н/2 l1 80 80 309 215 159 430 100 100 423 272 241 520 150 100 475 298 292 575 150 150 576 363 352 610 200 200 780 530 525 680 48 lк ТКГ ТНГ ТКВ ТНВ ТКВ ТКГ 200 400 500 650 250 350 500 650 350 500 650 800 500 500 800 1200 400 500 800 1200 400 800 1200 1500 400 800 1200 1500 800 1200 1500 1800 1200 1500 1800 1800 1200 1500 1800 1800 325 400 750 325 400 750 325 400 750 1000 400 750 1000 1500 400 750 1000 1500 325 400 750 450 700 900 475 700 900 1000 700 900 1000 1000 700 900 1000 1000 Размещение перегородок n, l3 шт. 6 10 100 14 26 4 8 130 12 20 6 8 180 14 18 6 10 250 14 22 4 8 300 10 18 Окончание табл. 17 Основные размеры одноходовых теплообменников, мм (ГОСТ 15122-79) Диаметр кожуха _Dн Dвн Давление в кожухе l L l0 A Ру, МПа 49 – 800 1,0 _–_ 800 1,6 _–_ 1000 0,6; 1,0 _–_ 1000 1,6 _–_ 1200 _–_ 1200 l2 0,6; 1,0 1,6 2000 3000 4000 6000 2000 3000 4000 6000 3000 4000 6000 3000 4000 6000 4000 6000 4000 6000 3070 4070 5070 7070 3120 4120 5120 7120 4170 5170 7170 4180 5180 7180 5300 7300 5350 7350 800 1500 2000 3000 800 1500 2000 3000 1500 2000 3000 1500 2000 3000 2000 3000 2000 3000 1450 2450 3450 5450 1450 2450 3450 5450 2350 3350 5350 2350 3350 5350 3200 5200 3200 5200 Dy Dy1 Dк _h_ Н/2 l1 250 250 966 627 622 775 250 250 966 627 622 775 300 300 1166 429 722 910 300 300 1166 429 722 915 350 350 350 350 1366 831 1366 831 822 1050 822 1080 49 lк Размещение перегородок ТКГ ТНГ ТКВ ТНВ ТКВ 400 600 800 1200 400 600 800 1200 400 600 1200 400 600 1200 700 1200 700 1200 1200 1500 1800 1800 1200 1500 1800 1800 1500 1800 1800 1500 1800 1800 400 750 1000 1500 400 750 1000 1500 1800 - 1000 550 1800 - 1000 550 ТКГ l3 - - 700 900 1000 1000 700 900 1000 1000 900 1000 1000 900 1000 1000 350 350 520 520 n, шт. 4 6 8 14 4 6 8 14 4 6 10 4 6 10 6 8 6 8 Для обеспечения турбулентного режима движения теплоносителя по трубному пространству используют многоходовые теплообменники (рис. 22). Распределительная камера многоходовых теплообменников для удобства механической чистки труб может быть составной со съемной эллиптической крышкой. а Рис. 22. Теплообменник многоходовой по трубам с диаметром кожуха от 325 до 1200 мм (к табл.18): а – горизонтальный (пример четырехходового); б – вертикальный (пример двухходового) б 50 Таблица 16 Основные размеры конденсаторов, мм (ГОСТ 15121-79) Диаметр кожуха Dн Dвн Давление в кожухе Ру, МПа 45 630 600 1,0 630 600 1,6 _ –_ 800 1,0 _ –_ 800 1,6 _ –_ 1000 0,6; 1,0 _ –_ 1000 _ –_ 1200 _ –_ 1200 _ –_ 1400 1,6 0,6; 1,0 1,6 0,6; 1,0 l L l0 A 3000 4000 6000 3000 4000 6000 3000 4000 6000 3000 4000 6000 3000 4000 6000 3000 6000 4000 6000 4000 6000 3890 4890 6890 3890 4890 6890 3870 4870 6870 3970 4970 6970 4200 5200 7200 4200 7200 5380 7380 5380 7380 1500 2000 3000 1500 2000 3000 1500 2000 3000 1500 2000 3000 1500 2000 3000 1500 3000 2000 3000 2000 3000 2550 3550 5550 2540 3540 5540 2440 3440 5440 2480 3480 5480 2400 3400 5400 2430 5430 3300 5300 3300 5300 6000 7630 3000 5200 Dу при числе ходов по трубам l2 Dу1 Dк Dу2 H/2 _h A0 l1 2 4 6 200 150 100 300 100 780 530 525 600 310 200 150 100 250 100 780 530 525 600 310 250 200 150 400 150 966 627 622 690 315 250 200 150 300 150 966 627 622 640 315 300 200 150 400 150 1166 729 722 800 380 300 200 150 350 250 200 350 250 200 350 250 200 300 150 500 200 400 200 500 250 1166 729 1366 831 1366 831 1566 990 722 800 822 860 822 860 922 990 45 380 450 450 575 lк ККГ КНГ ККВ КНВ 500 800 1200 500 800 1200 600 800 1200 600 800 1200 400 600 1200 400 1200 700 1200 700 1200 1200 ККГ ККВ 1500 1800 1800 1500 1800 1800 1500 1800 1800 1500 1800 1800 1500 1800 1800 1500 1800 1800 1800 1800 1800 750 1000 1500 750 1000 1500 750 1000 1500 750 1000 1500 900 1000 1000 900 1000 1000 900 1000 1000 900 1000 1000 900 1000 1000 900 1000 1000 1000 1000 1000 1800 - - - Таблица 18 Основные размеры многоходовых теплообменников, мм (ГОСТ 15122-79) Диаметр кожуха _Dн Dвн 325 Давление в кожухе 51 426 400 1,6; 2,5 630 600 1,6 _–_ 800 L l0 l2 Dy1 Dк A 2 4 Н/2 h A0 l1 6 ТКГ ТНГ Размещение перегородок lк ТКВ ТНВ ТКГ ТКВ l3 n, шт. МПа – 800 l Ру, 1,6; 2,5 _–_ Dу при числе ходов по трубам 1,0 1,6 1500 2000 3000 4000 2000 3000 4000 6000 2000 3000 4000 6000 2000 3000 4000 6000 2000 3000 4000 6000 2170 2670 3670 4670 2770 3770 4770 6770 2910 3910 4910 6910 3160 4160 5160 7160 3190 4190 5190 7190 650 800 1500 2000 800 1500 2000 3000 800 1500 2000 3000 800 1500 2000 3000 800 1500 2000 3000 1050 1550 2550 3550 1550 2550 3550 5550 1500 2500 3500 5500 1450 2450 3350 5250 1450 2450 3350 5250 100 - - 100 475 150 - - 150 576 363 352 445 290 200 150 100 200 780 530 525 520 370 250 200 150 250 966 627 622 630 420 250 200 150 250 966 627 622 630 420 51 293 292 440 240 350 500 650 800 500 500 800 1200 400 500 800 1200 400 600 800 1200 400 600 800 1200 800 1200 1500 1800 1200 1500 1800 1800 1200 1500 1800 1800 1200 1500 1800 1800 1200 1500 1800 1800 325 400 750 1000 400 750 1000 1500 400 750 1000 1500 400 750 1000 1500 400 750 1000 1500 475 700 900 1000 700 900 1000 1000 700 900 1000 1000 700 900 1000 1000 700 900 1000 1000 180 250 300 350 350 6 8 14 18 6 10 14 22 4 8 10 18 4 6 8 14 4 6 8 14 Окончание табл. 18 Основные размеры многоходовых теплообменников, мм (ГОСТ 15122-79) Диаметр кожуха Давление в кожухе _Dн Ру, Dвн МПа -_ 1000 -_ 52 1000 0,6; 1,0 1,6 l L l0 A 3000 4260 1500 2350 4000 6000 5260 7260 2000 3000 3350 5350 3000 4260 1500 2350 4000 5260 2000 3350 6000 7260 3000 5350 Dу при числе ходов по трубам l2 2 4 6 300 200 150 300 200 150 Dy1 Dк 300 Н/2 h 729 A0 l1 685 1166 722 500 300 729 685 1166 722 500 ТКГ ТНГ 400 ТКВ ТНВ 10 400 1500 900 6 600 1200 1800 1800 4000 5430 2000 3200 350 831 756 700 1800 6000 7430 3000 5200 1366 822 620 1200 1800 3200 350 831 765 700 1800 1366 822 620 1200 1200 1,6 4000 6000 5430 7430 2000 3000 350 250 200 5200 52 6 1000 1800 - - 900 1000 n, шт. 1800 1,0 -_ l3 1200 0,6; 200 ТКВ 1500 1800 -_ 250 ТКГ 600 1200 350 Размещение перегородок lк 520 1000 1000 520 - 1000 550 - 1000 550 8 8 10 6 8 6 8 6. КОНСТРУКЦИИ И РАЗМЕРЫ ФЛАНЦЕВ В зависимости от назначения по месту установки различают фланцы: – соединительных частей трубопроводов, штуцеров насосов и аппаратов, запорно-регулирующих устройств и др.; – аппаратные облегченные, которые служат для соединения отдельных частей емкостей, аппаратов. По способу соединения с трубой, корпусом аппарата, прибором фланцы могут быть плоскими и приварными встык. По конструкции уплотнительной поверхности различают фланцы: – с гладкой уплотнительной поверхностью; – типа «выступ – впадина»; – типа «шип – паз». 6.1. Фланцы соединительных частей трубопроводов По ГОСТ 12815-80 фланцы трубопроводов и соединительных частей, а также присоединительные фланцы арматуры, машин, приборов, патрубков аппаратов и резервуаров могут быть шести разных видов (табл. 19). Таблица 19 Типы и основные параметры фланцев по ГОСТ 12815-80 Тип фланца Литые из серого чугуна по ГОСТ 12817-80 Условное давление Ру, МПа 0,1; 0,25 1,0 1,6 Условный проход Dу, мм 15 … 3000 15 … 2000 15 … 1000 1,6 … 4,0 15 … 80 1,6 10 20 0,1; 0,25 1,6 2,5 0,1 … 4,0 10 20 15 … 1600 15 … 400 15 … 250 10 … 2400 10 … 1200 10 … 800 10 … 1600 10 … 400 15 … 250 0,1 … 2,5 10 … 500 Литые из ковкого чугуна по ГОСТ 12818-80 Литые стальные по ГОСТ 12819-80 Стальные плоские приварные по ГОСТ 12820-80 Стальные приварные встык по ГОСТ 12821-80 Стальные свободные на приварном кольце по ГОСТ 12822-80 53 Уплотнительная поверхность фланца может иметь 9 исполнений (рис. 23). Независимо от вида уплотнительной поверхности сами фланцы могут быть как приварными встык, так и плоскими приварными (рис. 23а). б а Рис. 23. Конструкция и размеры соединительной поверхности фланцев по ГОСТ 12815-80 (к табл. 20): а – с плоским выступом; б – с соединительным выступом и соединительной впадиной; в – с соединительным шипом и соединительным пазом в Фланцы с плоским выступом типа а удобны для замены прокладки, установки заглушек. Во фланцевых соединениях с выступом и впадиной типа б прокладка фиксируется во фланце со впадиной. Для аппаратов, работающих при глубоком вакууме, используют фланцы на Ру не менее 1,6 МПа с уплотнением типа в «шип – паз». Прокладка укладывается в кольцевой паз, что предотвращает её перемещение в радиальном направлении. 54 Таблица 20 Размеры присоединительных поверхностей фланцев для трубопроводов, мм, по ГОСТ 12815-80 Dy D D1 D2 D3 D4 D5 D6 d B d болтов n h h1 h2 4 4 4 4 4 4 4 4 8 8 8 12 12 12 16 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 70 75 95 100 110 125 140 155 ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ М10 М10 М12 М12 М12 М12 М16 М16 М16 М16 М16 М16 М20 М20 М20 4 4 4 4 4 4 4 8 8 8 8 12 12 16 16 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 80 90 105 110 125 140 150 ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ М12 М12 М16 М16 М16 М16 М16 М16 М16 М20 М20 М20 М20 М20 М24 на Pу 0,1 и 0,25 МПа 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350 400 90 100 120 130 140 160 185 205 235 260 315 370 435 485 535 65 75 90 100 110 130 150 170 200 225 280 335 395 445 495 50 60 70 80 90 100 128 148 178 202 258 312 365 415 465 33 41 49 55 66 86 101 117 146 171 229 283 336 386 436 43 51 59 69 80 100 115 137 166 191 249 303 356 406 456 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350 400 105 115 135 145 160 180 195 215 245 280 335 390 440 500 565 75 85 100 110 125 145 160 180 210 240 295 350 400 460 515 58 68 78 88 102 122 133 158 184 212 268 320 370 430 482 36 43 51 61 73 95 106 129 155 183 239 292 343 395 447 50 57 65 75 87 109 120 149 175 203 259 312 363 421 473 32 40 48 54 65 85 100 116 145 170 228 282 335 385 435 44 52 60 70 81 101 116 138 167 192 250 304 357 407 457 11 11 14 14 14 14 18 18 18 18 18 18 22 22 22 на Pу1,0 МПа 35 42 50 60 72 94 105 128 154 182 238 291 342 394 446 51 58 66 76 88 110 121 150 176 204 260 313 364 422 474 14 14 18 18 18 18 18 18 18 22 22 22 22 22 26 Толщина и присоединительные размеры зависят от конструкции фланцев (рис. 24, 25). 55 Внутренний диаметр отверстия стального плоского фланца определяется наружным диаметром трубы (рис. 24, табл. 21). Рис. 24. Конструкция и размеры стального плоского фланца по ГОСТ 12820-80 (к табл. 21) Таблица 21 Конструктивные размеры стальных плоских приварных фланцев, мм, по ГОСТ 12820-80 Проход условный Dу 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350 400 Ру 0,1 и 0,25 МПа Ру 1,0 МПа dн dв b dн dв b 25 32 38 45 57 76 89 108 114 133 140 152 159 168 219 273 325 377 426 26 33 39 46 59 78 91 110 116 135 142 154 161 170 222 273 325 377 426 10 10 10 10 10 11 11 11 11 13 13 13 13 13 15 18 18 18 18 25 32 38 45 57 76 89 108 114 133 140 152 159 168 219 273 325 377 426 26 33 39 46 59 78 91 110 116 135 142 154 161 170 222 273 325 377 426 12 12 14 15 15 17 17 19 19 21 21 21 21 21 21 23 24 24 26 56 Внутренний диаметр фланцев стальных приварных встык определяется однозначно диаметром условного прохода (рис. 25, табл. 22). Рис. 25. Конструкция и размеры фланца приварного встык по ГОСТ 12821-80 (к табл. 22) Таблица 22 Конструктивные размеры фланцев стальных приварных встык, мм, по ГОСТ 12821-80 Проход условный Dу 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350 400 500 600 800 1000 Py 0,1 и 0,25 МПа Py 1,0 МПа d1 b h4 Dm Dn d1 b h4 Dm Dn 18 25 31 38 49 66 78 96 121 146 202 254 303 351 398 501 602 792 992 8 8 8 9 9 9 11 11 11 11 13 16 16 16 16 19 19 19 21 2 28 28 33 33 33 35 37 37 38 45 45 45 45 45 50 55 60 60 36 42 50 60 70 88 102 122 148 172 235 288 340 390 440 545 650 844 1044 26 33 39 46 58 77 90 110 135 161 222 278 330 382 432 535 636 826 1028 18 25 31 38 49 66 78 96 121 146 202 254 303 351 398 501 602 792 992 12 12 13 13 13 15 15 17 19 19 19 21 22 22 22 24 24 27 29 36 38 40 42 42 45 47 48 57 57 58 60 60 60 60 65 65 75 80 38 45 55 62 76 94 105 128 156 180 240 290 345 400 445 550 650 850 1050 26 33 39 46 58 77 90 110 135 161 222 278 330 382 432 535 636 826 1028 57 6.2. Фланцы соединительных частей аппаратов По ГОСТ 28759.1-90 фланцы сосудов и аппаратов могут быть трех типов (табл. 23). Таблица 23 Типы и основные параметры фланцев сосудов и аппаратов по ГОСТ 28759.1-90 Тип фланца Стальные плоские приварные по ГОСТ 28759.2-90 Стальные приварные встык по ГОСТ 28759.3-90 Стальные приварные встык под прокладку восьмиугольного сечения по ГОСТ 28759.4-90 Внутренний диаметр аппарата, D, мм 400 … 4000 400 … 3200 400 … 2400 400 … 4000 400 … 3200 400 … 2000 400 … 1600 400 … 1600 Условное давление, Ру, МПа 0,3 0,6 … 1,0 1,6 0,6 … 1,0 1,6 2,5 4,0 … 6,3 6,3 … 8,0 400 … 1500 10 400 … 1200 16 Температура, о С От минус 70 до плюс 300 От минус 70 до плюс 600 Для сосудов и аппаратов, работающих в условиях вакуума с остаточным давлением не ниже 665 Па, допускается применять фланцы исполнений 1 – 5 ГОСТ 28759.2 на Ру 0,3 МПа и исполнений 1 – 4 ГОСТ 28759.3 на Ру 1,3 МПа. Технические требования к фланцам определены в ГОСТ 28759.5-90. Фланцы сосудов и аппаратов стальные плоские приварные по ГОСТ 28759.2-90 (табл. 24) могут иметь следующие исполнения (рис. 26): 1 – с гладкой уплотнительной поверхностью; 2 – с пазом; 3 – с шипом (ответный для фланца исполнения 2); 4 – с впадиной; 5 – с выступом (ответный для фланца исполнения 4). Фланцы исполнений 6 – 10 аналогичны фланцам исполнений 1 – 5, уплотнительная поверхность которых облицована листом из коррозионно-стойкой стали; фланцы исполнений 11 – 15 аналогичны фланцам исполнений 1 – 5, на уплотнительную поверхность которых наплавлена коррозионно-стойкая сталь. Пример условного обозначения фланца исполнения 1 диаметром 1200 мм на условное давление 0,6 МПа при высоте втулки 150 мм из стали 20: Фланец 1-1200-0,6-150 Ст 20 ГОСТ 28759.2-90. 58 Рис. 26. Конструкции и размеры стальных плоских приварных фланцев для сосудов и аппаратов по ГОСТ 28759.2-90 (к табл. 24) 59 Таблица 24 Размеры стальных плоских приварных фланцев для сосудов и аппаратов, мм, по ГОСТ 28759.2-90 Dвн 400 500 D1 D2 D3 D4 520 480 444 452 535 495 458 466 620 580 544 552 640 600 564 672 720 680 644 652 600 a D5 443 13,5 457 700 664 672 820 780 744 752 700 663 800 764 772 920 880 842 852 800 12 663 743 12 763 841 14 945 905 866 876 1030 990 952 962 900 12 865 951 14 1045 1005 966 976 1130 1090 1052 1062 1000 12 965 1050 15,5 1145 1330 1105 1260 1066 1248 1076 13 1064 1260 1200 1246 15,5 13 1350 1310 1268 1280 1266 1530 1490 1448 1460 1446 1550 1510 1470 1484 1730 1690 1648 1660 1400 15,5 1600 12 643 14 840 12 543 13,5 14 740 a1 13 1468 1645 17,5 14 1780 1730 1682 1696 1679 2330 2290 2246 2260 17,5 2243 14 2385 2335 2286 2300 21,5 2283 18 2530 2595 2610 2490 2540 2550 2446 2490 2496 2460 2505 2510 17,5 2443 2487 2493 14 2200 2400 21,5 60 18 b S 25 30 35 25 35 40 25 30 35 40 25 6 35 50 25 35 40 55 30 35 50 60 30 40 50 65 35 45 60 75 35 50 60 80 35 55 70 85 55 70 90 100 80 100 130 8 8 d Болты, шпильки D n 23 M20 23 M20 23 M20 16 20 10 8 10 23 M20 23 M20 23 M20 32 36 36 23 M20 44 44 23 M20 56 23 M23 14 48 52 68 10 23 M20 16 27 M24 23 M20 10 12 18 20 12 18 20 28 32 40 12 8 10 12 14 8 10 24 28 40 8 10 12 8 10 20 24 32 8 10 12 24 28 8 10 12 20 27 M24 23 30 33 M20 M27 M30 60 68 76 72 80 88 104 88 92 88 Pу, МПа 0,6 1,0 1,6 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,3 0,6 1,0 1,6 0,6 1,0 1,6 Фланцы сосудов и аппаратов стальные приварные встык (ГОСТ 28759.3-90) используют в аппаратах с внутренним диамет- ром от 400 до 4000 мм с условным давлением от 0,6 до 6,3 МПа при температуре рабочей среды от –70оС до +540оС. Стандарт устанавливает конструкции фланцев 12 исполнений. Наиболее распространены (рис. 27): исполнение 1 – с впадиной; исполнение 2 – с выступом (ответный для фланца исполнения 1); исполнение 3 – с пазом; исполнение 4 – с шипом (ответный для фланца исполнения 3). Рис. 27. Конструкции и размеры фланцев сосудов и аппаратов приварные встык по ГОСТ 28759.3-90 (к табл. 25) Пример условного обозначения фланца исполнения 1 диаметром 1200 мм на условное давление 2,5 МПа из стали 12Х18Н10Т: Фланец 1-1200-2,5-12Х18Н10Т ГОСТ 28759.3-90. То же для фланца с прокладкой из фторопласта: Фланец 1-1200-2,5-Ф-12Х18Н10Т ГОСТ 28759.3-90. 61 Таблица 25 Конструктивные размеры фланцев сосудов и аппаратов стальных приварных встык, мм, ГОСТ 28759.3-90 Dвн 400 600 800 62 1000 1200 1400 1600 1800 2000 D1 D2 D3 D4 a D5 a1 D6 D7 b H d Болты, шпильки d 535 495 590 530 740 820 945 955 1055 1145 1175 1300 1350 1400 1520 1550 1610 1770 1780 1820 1995 1980 2025 2185 2235 13,5 457 12 458 466 700 644 672 14 663 12 750 905 915 985 1105 1125 1220 1310 1345 1440 1510 1555 1675 1730 1760 1900 1930 1965 2135 2175 670 866 876 885 1066 1030 1095 1268 1206 1310 1470 1506 1522 1682 1708 1732 1882 1910 2086 2116 685 876 886 910 1076 1092 1110 1280 1310 1326 1484 1520 1545 1696 1720 1750 1896 1928 2100 2130 16 669 865 875 883 1064 1078 1093 1266 1294 1307 1468 1504 1519 1679 1705 1729 1879 1907 2083 2113 14 15,5 14 20,5 15,5 20,5 15,5 28 15,5 28 17,5 28,5 17,5 21,5 14 12 18 13 18 13 25 13 25 14 25 14 18 412 418 428 614 624 640 818 830 848 1020 1036 1056 1220 1238 1268 1420 1438 1476 1626 1642 1686 1828 1842 2028 2044 432 440 460 634 648 680 838 860 904 1044 1066 1126 1248 1276 1346 1452 1438 1562 1660 1690 1784 1864 1896 2064 2104 35 40 70 35 50 85 40 55 95 50 60 115 50 70 120 55 75 145 55 80 155 60 90 65 105 65 75 120 65 85 145 70 100 180 85 105 220 95 130 235 105 115 275 105 155 300 115 170 130 195 23 M20 33 M30 23 M20 33 M30 23 M20 40 23 27 46 23 30 46 23 30 58 27 33 58 27 33 27 33 M36 M20 M24 M42 M20 M27 M42 M20 M27 M52 M24 M30 M52 M24 M30 M24 M30 Примечание. При применении прокладки из фторопласта-4 размер D3 равен D5; размер а равен а1+0,6. 62 n 20 24 20 28 32 28 40 48 36 44 52 40 56 48 68 64 44 68 68 56 84 80 84 80 Py, МПа 1,0 2,5 6,3 1,0 2,5 6,3 1,0 2,5 6,3 1,0 2,5 6,3 1,0 2,5 6,3 1,0 2,5 6,3 1,0 2,5 6,3 1,0 2,5 1,0 2,5 7. ЗАДАНИЯ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ Задание Т01 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для нагрева жидкости S от значения начальной температуры t1 до значения температуры 40 оС горячей водой. Начальное значение температуры воды составляет 75 оС, в теплообменнике вода охлаждается на t,оC. 2. Данные для расчетов Расход нагреваемой жидкости, т/ч: G = 90 + 0,3 k z . Значение начальной температуры жидкости t1 и изменение значения температуры воды t для варианта k: k t1, оC t, оC 1 -10 48 2 -5 46 3 0 44 4 5 42 5 10 40 6 15 38 7 20 36 8 25 34 9 30 32 0 35 30 Жидкость S для подварианта z: 1. Метанол. 5. Бутанол. 9. Ацетон. 2. Изопропанол. 3. Дихлорэтан. 6. Хлороформ. 7. Пропанол. 0. н-Октан. 4. Этанол. 8. Изобутанол. Задание Т02 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения жидкости S от значения начальной температуры 20 оС до значения температуры t2 испаряющимся при температуре минус 30 оС жидким аммиаком. 2. Данные для расчетов Расход жидкости, т/ч: G = 25 + 0,2 k z. Конечная температура жидкости t2 для варианта k: k t2, оC 1 -20 2 -19 3 -18 4 -17 5 -16 6 -15 7 -14 8 -13 9 -12 0 -11 Жидкость S для подварианта z: 1. Бутанол. 5. Изобутанол. 9. Ацетон. 2. Этанол. 6. Хлороформ. 0. Дихлорэтан. 3. Изопропанол. 7. Пропанол. 63 4. н-Октан. 8. Метанол. Задание Т03 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для испарения вещества S при абсолютном давлении 0,2 МПа за счет теплоты конденсации насыщенного водяного пара, причем значение температуры водяного пара превышает значение температуры кипения жидкости S на t. 2. Данные для расчетов Расход вещества, т/ч: G = 30 + 0,3 k z. Температурный напор t для варианта k: k t, оC 1 25 2 24 3 23 4 22 5 21 6 20 7 19 8 18 9 17 0 16 Жидкость S для подварианта z 1. Бензол. 5. Изобутанол. 9. Хлороформ. 2. Этанол. 6. Бутанол. 0. Дихлорэтан. 3. п-Ксилол. 7. Толуол. 4. Пропанол. 8. Метанол. Задание Т04 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для утилизации теплоты конденсации паров вещества S при атмосферном давлении с получением горячей воды, которая нагревается от начального значения температуры t1 на t. 2. Данные для расчетов Расход вещества, т/ч: G = 60 + 0,2 k z. Начальное значение температуры воды t1 и ее изменение в теплообменнике t для варианта k: k t1, оC t, оC 1 23 42 2 22 44 3 14 50 4 15 48 5 16 46 6 17 44 7 18 42 8 19 40 9 20 38 Жидкость S для подварианта z: 1. н-Октан. 5. Бензол. 9. Толуол. 2. Этанол. 3. Этилацетат. 6. Бутанол 7. п-Ксилол. 0. Четыреххлористый углерод. 64 4. Пропанол. 8. Изобутанол. 0 21 36 Задание Т05 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать теплообменник для нагрева жидкости S от значения температуры t1 до 45 оС при атмосферном давлении. Нагрев производится водой с начальным значением температуры 80 оС. В теплообменнике вода охлаждается на t. 2. Данные для расчетов Расход жидкости, т/ч: G = 70 + 0,3 k z. Начальное значение температуры жидкости t1 и изменение значения температуры воды t для варианта k: k t1, оC t, оC 1 -15 50 2 -10 48 3 -5 46 4 0 44 5 5 42 6 10 40 7 15 38 8 20 36 9 25 34 0 30 32 Жидкость S для подварианта z: 1. н-Октан. 5. Изобутанол. 9. Ацетон. 2. Этанол. 6. Бутанол. 0. Дихлоэтан. 3. Изопропанол. 4. Пропанол. 7. п-Ксилол. 8. Метанол. Задание Т06 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для нагрева жидкости S от значения температуры t1 до значения температуры кипения при атмосферном давлении водяным паром. Значение температуры конденсации греющего пара превышает значение температуры кипения жидкости S на t. 2. Данные для расчетов Расход жидкости, т/ч: G = 50 + 0,4 k z. Значение начальной температуры жидкости t1 и изменение значения температуры воды t для варианта k: k t1, оC t,оC 1 25 28 2 30 21 3 35 24 4 40 22 5 15 20 6 20 27 7 25 26 8 20 25 Жидкость S для подварианта z: 1. Дихлорэтан. 5. Бензол. 9. Хлороформ. 2. Изобутанол. 6. Бутанол. 0. Толуол. 3. п-Ксилол. 7. Этанол. 65 4. Пропанол. 8. Метанол. 9 30 29 0 35 23 Задание Т07 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для нагрева жидкости S от начального значения температуры t1 до значения температуры кипения при атмосферном давлении насыщенным водяным паром, причем температура конденсации водяного пара превышает значение температуры кипения жидкости на t. 2. Данные для расчетов Расход жидкости, т/ч: G = 50 + 0,5 k z. Начальное значение температуры жидкости t1 и минимальный температурный напор t для варианта k: k t1, оC t,оC 1 20 15 2 25 18 3 30 11 4 35 14 5 40 12 6 15 20 7 20 18 8 25 16 9 30 14 0 35 22 Жидкость S для подварианта z: 1. Ацетон. 5. Изобутанол. 9. Бензол. 2. п-Ксилол. 6. Бутанол. 0. Дихлорэтан 3. Изопропанол. 4. Пропанол. 7. Хлороформ. 8. Метанол. Задание Т08 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать теплообменник для охлаждения жидкости S от значения температуры 40 оС до значения температуры t2. Охлаждение производится 25%-м раствором хлористого кальция. Начальное значение температура рассола минус 25 оС. В теплообменнике рассол нагревается на t. 2. Данные для расчетов Расход жидкости, т/ч: G = 15 + 0,4 k z. Конечное значение температуры жидкости t2 и изменение температуры рассола t для варианта k: k t2, оC t, оC 1 -15 7 2 -13 8 3 -11 9 4 -9 10 5 -7 11 6 -5 12 7 -3 13 8 -1 14 Жидкость S для подварианта z: 1. Метанол. 5. Изобутанол. 9. Этанол. 2. Хлороформ. 6. Дихлорэтан. 0. Ацетон. 3. Изопропанол. 4. Бутанол. 7. п-Ксилол. 8. Пропанол. 66 9 +1 15 0 +3 16 Задание Т09 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для конденсации паров вещества S при атмосферном давлении оборотной водой. Начальное значение температуры оборотной воды составляет t1. В теплообменнике вода нагревается на t. 2. Данные для расчетов Расход потока, т/ч: G = 60 + 0,3 k z. Начальное значение температуры воды t1 и изменение температуры воды t для варианта k: k t1,оС t, оC 1 21 6 2 23 7 3 25 8 4 27 11 5 20 10 6 22 9 7 24 8 8 26 7 9 28 6 0 30 5 Вещество S для подварианта z: 1. Дихлорэтан. 5. Бензол. 9. Бутанол. 2. Метанол. 6. Изобутанол. 0. Ацетон 3. Пропанол. 4. Хлороформ. 7. Изопропанол. 8. Этанол. Задание Т10 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для испарения жидкости S при избыточном давлении 0,2 МПа насыщенным водяным паром. Значение температуры водяного пара превышает значение температуры кипения жидкости S на t. 2. Данные для расчетов Расход жидкости, т/ч: G = 20 + 0,4 k z. Значение температурного напора t для варианта k: k t, оC 1 25 2 28 3 31 4 34 5 32 6 40 7 38 8 36 9 34 0 42 Жидкость S для подварианта z: 1. Метанол. 5. Хлороформ. 9. Ацетон. 2. Этанол. 6. Пропанол. 0. Дихлорэтан. 67 3. Изобутанол. 7. Бутанол. 4. Бензол. 8. п-Ксилол. Задание Т11 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения жидкости S от начального значения температуры 28 оС до значения температуры t2 30%-м раствором CaCl2. Начальное значение температуры рассола составляет минус 20 оС, в теплообменнике рассол нагревается на t. 2. Данные для расчетов Расход жидкости, т/ч: G = 60 + 0,4 k z. Конечное значение температуры жидкости t2 и изменение температуры рассола t для варианта k: k t2, оC t, оC 1 -15 6 2 -13 7 3 -11 5 4 -14 9 5 -12 8 6 -10 6 7 -9 10 8 -11 11 9 -9 12 0 -7 13 Жидкость S для подварианта z: 1. Изопропанол. 4. Изобутанол. 7. Хлороформ. 2. Бутанол. 5. Метанол. 8. Этанол. 3. Пропанол. 6. Дихлорэтан. 9. Ацетон. 0. н-Октан. Задание Т12 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для конденсации паров аммиака при температуре t1. Конденсация производится оборотной водой. Начальное значение температуры оборотной воды составляет t2. В теплообменнике вода нагревается на t. 2. Данные для расчетов Расход паров аммиака , т/ч: G = 40 + 0,1 k z. Значение температуры конденсации паров аммиака t1 для варианта k: k t1, оС 1 46 2 44 3 40 4 43 5 46 6 38 7 35 8 33 9 43 0 30 Значение начальной температуры оборотной воды t2 и изменение ее температуры t для подварианта z: z t2, оС t, оC 1 20 11 2 22 12 3 24 13 4 26 14 5 21 9 68 6 23 10 7 25 12 8 27 13 9 19 14 0 17 15 Задание Т13 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения газовой смеси при избыточном давлении 0,6 МПа от значения температуры t1 до температуры 48 оС водой. Начальное значение температуры воды составляет 26 оС, в теплообменнике вода нагревается на t. 2. Данные для расчетов Расход газовой смеси, кг/с: G = 6,0 + 0,1 k z. Начальное значение температуры газа t1 и изменение температуры воды t для варианта k: k t1, оC t, оC 1 71 6 2 75 7 3 79 5 4 83 9 5 87 8 6 91 6 7 95 10 8 99 11 9 103 12 0 107 13 Молярная доля, %, в газовой смеси, для подварианта z: z N2 O2 1 66 2 62 3 58 4 54 5 6 50 46 остальное 7 42 8 38 9 34 0 39 Задание Т14 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для нагрева газовой смеси при избыточном давлении 0,8 МПа от температуры 28 оС до температуры t2 насыщенным водяным паром. Значение температуры пара превышает конечное значение температуры газа на t. 2. Данные для расчетов Расход газа, кг/с: G = 5,0 + 0,08 k z. Значения конечной температуры газовой смеси t2 и температурного напора на выходе t для варианта k: k t2, оC t, оC 1 143 16 2 139 19 3 135 22 4 131 25 5 127 28 6 123 31 7 119 33 8 115 35 9 111 37 0 107 41 Молярная доля, %, в газовой смеси, для подварианта z: z Н2 СO 1 66 2 62 3 58 4 54 5 6 50 46 остальное 69 7 42 8 38 9 34 0 39 Задание Т15 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать теплообменник для утилизации теплоты потока реакционной массы G1 с температурой t1 для нагрева исходного потока G0=G1 с начальным значением температуры 26 оС при среднем арифметическом температурном напоре 18 оС. Свойства потоков принять равными свойствам растворителя. 2. Данные для расчетов Расход реакционной массы, т/ч: G1 = 13 + 0,3 k z. Значения параметров для варианта k: k t1, оC 1 65 0,91 2 69 0,93 3 73 0,98 4 77 1,1 5 71 1,14 6 75 1,18 7 89 1,23 8 93 1,26 9 97 1,27 0 85 1,3 Наименование растворителя для подварианта z: 1. Изопропанол. 4. Изобутанол. 7. Хлороформ. 2. Бутанол. 5. Метанол. 8. Этанол. 9. п-Ксилол. 0. Толуол. 3. Пропанол. 6. Дихлорэтан. Задание Т16 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать теплообменник для отвода теплоты N от водного раствора NaOH массовой концентрации х со значениями температуры на входе t1, на выходе t2 оборотной водой. Значение начальной температуры оборотной воды составляет t3, в теплообменнике она нагревается на t. 2. Данные для расчетов Тепловая нагрузка, кВт: N = 13 + 0,13 k z. Параметры водного раствора NaOH для варианта k: k t1, оC t2, оC х, % 1 39 32 7 2 38 32 6 3 37 31 5 4 36 31 4 5 35 30 5 6 34 30 4 7 33 29 5 8 34 29 6 9 35 32 7 0 36 33 8 8 22 5 9 23 4 0 24 3 Параметры оборотной воды для подварианта z: z t3, оC t, оC 1 21 5 2 22 5 3 23 4 4 24 4 5 21 5 70 6 22 6 7 21 6 Задание Т17 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для получения потока захоложенной до температуры t1 воды с объемным расходом V м3/ч из воды с начальной температурой t0. Охлаждение производится 30% водным раствором CaCl2 с температурой минус t3, в теплообменнике рассол нагревается на t. 2. Данные для расчетов Расход захоложенной воды, м3/ч: V = 23 + 0,16 k z. Параметры захоложенной воды для варианта k: k t1, оC t0, оC 1 2 15 2 3 13 3 4 11 4 5 14 5 6 12 6 2 6 7 3 7 8 4 8 9 5 9 0 6 10 6 -22 10 7 -21 11 8 -22 12 9 -23 13 0 -24 14 Параметры рассола для подварианта z: z t3, оC t, оC 1 -21 5 2 -22 6 3 -23 7 4 -24 8 5 -21 9 Задание Т18 1. Техническая задача. Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для подогрева потока растворителя G1 с температурой 16 оС, теплотой реакционного потока G2=G1, имеющей температуру t2 при среднем температурном напоре 23 оС. Теплофизические свойства реакционного потока принять равными свойствам растворителя. 2. Данные для расчетов Расход потока растворителя, т/ч: G1 = 33 + 0,1 k z. Параметры процесса для варианта k: k t2, оC 1 89 1,1 2 87 1,2 3 85 1,3 4 83 1,4 5 81 1,5 6 79 1,1 7 77 1,2 8 75 1,3 9 73 1,4 Растворитель для подварианта z: 1. Хлороформ. 5. н-Октан. 9. Бензол. 2. Бутанол. 6. Изобутанол. 0. Метанол 3. Пропанол. 4. Дихлорэтан. 7. Изопропанол. 8. Этанол. 71 0 71 1,5 Задание Т19 1. Техническая задача Рассчитать и спроектировать теплообменник для конденсации паров вещества S при атмосферном давлении. Отвод теплоты производится оборотной водой с значением начальной температуры t1. В теплообменнике вода нагревается на t. 2. Данные для расчетов Расход паров, т/ч: G = 17 + 0,1 k z. Параметры воды для варианта k: k t1, оC t, оC 1 15 14 2 16 13 3 17 12 4 18 11 5 19 10 6 20 9 7 21 8 8 22 7 9 23 6 0 24 5 Вещество S для подварианта z: 1. Изопропанол. 2. Этанол. 5. Изобутанол. 6. Бутанол. 9. Ацетон. 0. н-Октан. 3. Дихлоэтан. 7. п-Ксилол. 4. Пропанол. 8. Метанол. Задание Т20 1. Техническая задача Рассчитать и спроектировать теплообменник для охлаждения жидкости S от температуры кипения при атмосферном давлении до температуры 42 оС. Отвод теплоты производится оборотной водой с значением начальной температуры t1. В теплообменнике вода нагревается на t. 2. Данные для расчетов Расход жидкости, т/ч: G = 27 + 0,15 k z. Параметры воды для варианта k: k t1, оC t, оC 1 24 6 2 15 14 3 23 5 4 18 11 5 22 7 6 20 9 7 21 8 8 17 12 Вещество S для подварианта z: 1. Пропанол. 5. Изобутанол. 9. Ацетон. 2. Этанол. 6. Дихлорэтан 0. Бутанол. 3. Изопропанол 4. н-Октан. 7. п-Ксилол. 8. Метанол. 72 9 23 6 0 16 9 8. РЕКОМЕНДАЦИИ К ОФОРМЛЕНИЮ ПРОЕКТА 8.1. Форма титульного листа _________________________________________________________ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова» Химико-фармацевтический факультет Кафедра охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по процессам и аппаратам на тему: «Теплообменник для (назначение, продукт, производительность, второй теплоноситель)» ПА Т**- kz Выполнил студент группы (номер группы, фамилия, инициалы) (подпись, дата) Руководитель проекта (должность, фамилия, инициалы) (подпись, дата) Чебоксары 20** ________________________________________________________________ Примечания: 1. Назначение: нагрев, охлаждение, испарение, конденсация; второй теплоноситель: пар водяной, вода, рассол, аммиак и др. 2. Буквы в обозначении проекта означают: ПА – процессы и аппараты; Т**- kz – номер и шифр задания. 73 8.2. Структура пояснительной записки Титульный лист. Задание на курсовое проектирование. Содержание. 1. Введение (общие сведения о теплообменных процессах и о содержании выполненного курсового проекта). 2. Общие закономерности и особенности теплообмена для рассчитываемого процесса. 3. Свойства теплоносителей (теплофизические, взрывопожароопасные, токсикологические, коррозионные). 4. Тепловые расчеты. 4.1. Расчетная температурная схема (с цифровыми данными, наименованиями теплоносителей, рис. 7). 4.2. Предварительный расчет поверхности теплообменника и выбор стандартного аппарата. 4.3. Поверочный расчет аппарата (обеспечение запаса поверхности). 4.4. Схема движения теплоносителей и ее описание (вертикальное или горизонтальное размещение аппарата, направление движения теплоносителей, способ компенсации температурных деформаций, удаление газа при первом пуске, опорожнение аппарата перед ремонтом и др. (рис. 9)). 5. Гидравлические расчеты. 6. Механические расчеты. 7. Заключение (основные результаты). Список использованной литературы. 8.3. Основные правила оформления записки Пояснительную записку следует оформлять с соблюдением требований межгосударственного стандарта [2] с изменениями 1 от 2005 года. Данный стандарт распространяется на отчеты о научно-исследовательских работах по всем областям науки и техники. Ниже приведены выписки из отдельных пунктов. Размеры полей: правое – не менее 10 мм, верхнее и нижнее – не менее 20 мм, левое – не менее 30 мм. Заголовки структурных элементов «РЕФЕРАТ», «СОДЕРЖАНИЕ», «ЗАКЛЮЧЕНИЕ» и др. следует располагать в сере74 дине строки без точки в конце и печатать прописными буквами, не подчеркивая. Разделы, подразделы, пункты следует нумеровать арабскими цифрами и записывать с абзацного отступа. После номера раздела, подраздела, пункта точку не ставят. Заголовки разделов, подразделов, пунктов следует печатать с абзацного отступа с прописной буквы без точки в конце, не подчеркивая. Если заголовок состоит из двух предложений, их разделяют точкой. Страницы отчета следует нумеровать арабскими цифрами, соблюдая сквозную нумерацию по всему отчету. Номер страницы проставляют в центре нижней части листа без точки. Иллюстрации (рисунки, схемы, графики и др.) следует располагать в отчете непосредственно после текста, в котором они упоминаются впервые, или на следующей странице. На все иллюстрации должны быть даны ссылки в отчете. Иллюстрации следует нумеровать арабскими цифрами сквозной нумерацией. Если рисунок один, то он обозначается «Рисунок 1». Иллюстрации могут иметь наименование и пояснительные данные (подрисуночный текст). Слово «Рисунок» и наименование помещают после пояснительных данных посередине строки. Пример: Рисунок 7 – Детали прибора. Таблицы применяют для лучшей наглядности и удобства сравнения показателей. Наименование таблицы, при его наличии, должно отражать ее содержание, быть точным, кратким. Наименование таблицы следует помещать над таблицей слева, без абзацного отступа в одну строку с ее номером через тире. Пример: Таблица 2 – Свойства теплоносителей. 8.4. Состав графической части курсового проекта 1. Чертеж общего вида теплообменника на листе формата А1. 2. Чертеж опоры или крышки на листе формата А2 или А3. 75 Чертеж общего вида [11] 76 77 78 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Основные правила разработки курсовых проектов по процессам и аппаратам химической технологии и защиты окружающей среды: метод. указания / сост.: А.И. Козлов, П.М. Лукин, Н.И. Савельев, П.Н. Эндюськин; Чуваш. ун-т. – Чебоксары, 2005. – 32 с. 2. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления: ГОСТ 7.32-2001 с изм.1 от 2005 г. – М.: ФГУП «Стандартинформ», 2006. 3. ГОСТ 15119-79. Испарители кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры и размеры. – М.: Изд-во стандартов, 1979. 4. ГОСТ 15120-79. Холодильники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры и размеры. – М.: Изд-во стандартов, 1979. 5. ГОСТ 15121-79. Конденсаторы кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры и размеры. – М.: Изд-во стандартов, 1979. 6. ГОСТ 15122-79. Теплообменники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры и размеры. – М.: Изд-во стандартов, 1979. 7. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987. – 576 с. 8. Машины и аппараты химических производств: примеры и задачи: учеб. пособие / И.В. Доманский, В.П. Исаков, Г.М. Островский и др; под общ. ред. В.Н. Соколова. – Л.: Машиностроение, 1982. – 384 с. 9. Орлов В.Н. Проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов: учеб. пособие. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2005. – 136 с. 10. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1991. – 352 с. 11. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / под ред. Ю.И. Дытнерского.– М.: Химия, 1991.– 496 с. 12. Лащинский А. А. Конструирование сварных химических аппаратов: справочник. – Л.: Машиностроение, 1981. –382 с. 79 Учебное-справочное издание Савельев Николай Иванович Лукин Петр Матвеевич РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОЖУХОТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Учебное пособие Редактор Л.Г. Григорьева Компьютерная правка Е.В. Шигильчевой Подписано в печать 27. 05.10. Формат 60×84/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Гарнитура Times. Усл. печ. л. 4,65. Уч.-изд. л. 4,75. Тираж 100 экз. Заказ № 296. Издательство Чувашского университета Типография университета 428015 Чебоксары, Московский просп., 15 80