«Спроектировать кожухотрубный теплообменник для испарения аммиака в составе холодильной установки» Пояснительная записка: 38 с., 9 рис., 1 приложение, 8 источников. Графические материалы: технологическая схема установки, сборочный чертёж аппарата, сборочные чертежи узлов – всего 3 листа формата А1. Тема проекта: «Спроектировать кожухотрубный теплообменник для испарения аммиака в составе холодильной установки». Приведены теоретические основы и особенности процесса теплообмена, выполнены технологические, проектные и прочностные расчеты, расчет гидравлического сопротивления, обоснован выбор материалов для изготовления аппарата. Расчетами на прочность и герметичность показана надёжность работы запроектированного аппарата. Ключевые слова: АППАРАТ, УСТАНОВКА, АММИАК, ИСПАРИТЕЛЬ, ТРУБНЫЙ ПУЧОК, РАСЧЁТ, ОПОРА. СОДЕРЖАНИЕ Введение 5 1. Теоретические основы разрабатываемого процесса. 6 Обоснование выбора конструкции аппарата и материалов 2.Технологические и проектные расчеты аппарата 11 2.1 Описание технологической схемы установки 11 2.2 Устройство и принцип работы аппарата 13 2.3 Тепловые балансы и расчеты 16 2.4 Материальные балансы и технологические расчеты 18 2.5 Конструктивные расчеты 24 3. Прочностные расчеты аппарата 26 3.1 Расчет толщины стенки аппарата 27 3.2 Расчет толщины крышки аппарата 29 3.3 Расчет и выбор опоры 30 Список литературы 37 Приложение ВВЕДЕНИЕ Процессы и аппарата, общие для различных отраслей химической технологии, получили название основных процессов и аппаратов. В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия, представляют глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава веществ. Наряду с химическими реакциями, являющимися основной химико-технологический процессов, последние обычно включают многочисленные физические (в том числе и механические) и физико-химические процессы. К таким относятся: перемещение жидкостей и твёрдых материалов, изменение и классификация последних, сжатие и транспортирование газов, нагревание и охлаждение веществ, их перемешивание, разделение жидких и газовых неоднородных смесей. При этом способ проведения указанных процессов часто определяет возможность осуществления, эффективность и рентабельность производственного процесса в целом. В данном проекте решены задачи по проектированию холодильной установки, в составе которой применён кожухотрубный горизонтальный теплообменник для испарения аммиака. 1. Теоретические основы разрабатываемого процесса. Обоснование выбора конструкции аппарата и материалов Теплообменом называется процесс переноса теплоты происходящий между телами, имеющими различную температуру. При этом теплота переходит самопроизвольно от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, а томами и свободными электронами, в результате, которого интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого возрастает. В результате передачи теплоты происходит и рассматриваемый в данной работе процесс нагревания. Тела, которые участвуют в теплообмене, называются теплоносителями. Теплообменные процессы могут происходить только при наличии разности температур между теплоносителями, т. е. разность температур - движущая сила процесса теплообмена. Немаловажным фактом является также направление движения теплоносителей. От него сильно зависит характер процесса. Существует несколько схем движения потоков теплоносителей. Прямоточная схема — горячий теплоноситель взаимодействует с холодным через стенку, при этом потоки направлены параллельно друг другу и в одном направлении, противоточная - потоки параллельны, но направлены в противоположные стороны, и перекрёстная потоки направлены под углом относительно друг друга. Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности тепло пере дачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи: , (1.1) где: F – площадь теплообмена, м2 ; ∆tср – средняя температура процесса; К – коэффициент теплоотдачи; Q – тепловая нагрузка. тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями находят по одному из следующих уравнений: Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке. Характеристика Ст3кп. Вид поставок - сортовой прокат, в том числе фасонный по: ГОСТ 5949-75, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69, ГОСТ 18968-73, ГОСТ 19442-74. Лист толстый по ГОСТ 7350-77. Лист тонкий по ГОСТ 5582-75. Назначение - для второстепенных и несущих элементов сварных и несварных конструкций, которые работают при температуре от -40 до +400 0 С. Таблица 1.1 - Химический состав стали Ст3кп С Мn Si Cr S P T Cu Ni Не больше Не больше 0,14-0,22 0,05 0,05 До 0,3 0,050 0,040 0,2 0,30 0,3 Таблица 1.2 - Механические свойства стали Ст3кп ГОСТ Поставка Разрез, мм σ σ ψ КСU НВ, не больше МПа % Не больше 7350-77 Листы гарячекатанные или холоднокатанные Больше 2 --- 530 20 --- --- Технологические свойства. Температура начала ковки 1280 0 С, конца ковки 750 0 С. Разрез до 1000 мм охлаждается штабелями на воздухе или в песочной яме. Свариваемость - без ограничений. Для толщины более 36 мм рекомендуется подогрев и последующая термообработка. Обработка резаньем - в горячекатанном состоянии при НВ 124, σв = 420 МПа, Кр.б.ст. = 1,8, Кр.тв.ст. = 1,6. Не имеет склонности к отпускной хрупкости. Характеристика ПОН-Б. Таблица 1.3 - Характеристика паронита ПОН-Б Температура применения Давление, МПа (кгс/см2 ) Среда от До Паронит ПОН-Б -40 +200 2,5(25) Водные растворы солей, аммиак, малоагрессивные вещества Для деталей крепежа возможно использовать сталь 30Х. Сталь 30Х характеризуется повышенной вязкостью и прочностью в термически обработанном состоянии. Сталь имеет малую склонность к отпускной хрупкости и характеризуется хорошей релаксационной стойкостью, что позволяет применять её для изготовления крепёжных деталей. Сталь хорошо деформируется в горячем состоянии, хорошо обрабатывается резанием. Сталь 30Х удовлетворительно сваривается. 2.Технологические и проектные расчеты аппарата 2.1 Описание технологической схемы установки Принципиальная схема холодильной установки представлена на рисунке 2.1. Для отвода тепла в окружающую среду обычно применяют систему оборотного водоохлаждения. В целом централизованная система хладоснабжения обеспечивает высокую степень надежности при меньшем резерве оборудования и меньшей численности обслуживающего персонала. Схема холодильной установки включает три контура: контур промежуточного хладоносителя для отвода тепла от охлаждаемых технологических объектов; контур холодильной машины аммиака; систему оборотного водоохлаждения для передачи тепла оборотной воде. Аппараты установлены в помещениях основного производства и связаны коммуникациями хладоносителя с машинно – аппаратным отделением холодильной установки, размещенной в специальном здании. Контур рабочего тела компрессионной холодильной машины включает основное холодильное оборудование (компрессоры, конденсаторы, испарители, автоматические дроссельные устройства) и вспомогательные аппараты (сепарационные устройства, маслоотделители, ресиверы, приборы автоматического регулирования и контроля, арматура). Пары аммиака из испарителя И1,И2 отсасываются компресс-сором Аг1 – Аг4 и нагреваются в конденсатор Кд1, Кд2, где сжижаются, отдавая тепло атмосферному воздуху. Жидкий аммиак через дроссельное устройство Д1 и Д2 подается в испаритель И1 и И2, где превращается в пар, воспринимая тепло. Поток пара, уходящий из испарителя, обычно содержит капли жидкого аммиака; попадание их в цилиндры компрессоров создает опасность аварийного режима работы, особенно при пуске установки или при резком возрастании тепловой нагрузки. Чтобы предотвратить всасывания влажного пара, на линии между испарителем и компрессором установлено сепарационное устройство С1 и С2 (отделитеть жидкости). В потоке пара из компрессора содержится значительное количество смазанного масла. Масляная пленка, попадающая на поверхности теплообменных аппаратов, заметно ухудшает интенсивность теплообмена. В маслоотделителе М большая часть масла задерживается и по мере накопления возвращается в картер компрессора. Обратный клапан разгружает компрессор от высокого давления нагнетания при автоматической остановке, а также защищает от прорыва аммиака в рабочее помещение при авариях. Расположенный ниже конденсатора линейный ресивер Р1 и Р2 является сборником конденсата и выполняет две функции: сохраняет теплообменную поверхность конденсата незатопленной и создает запас рабочего тела для компенсации неравномерности расхода жидкости при колебаниях тепловой нагрузки. Автоматическое дроссельное устройство постоянно обеспечивает оптимальное заполнение испарителя жидкостью, обычно на уровне верхнего ряда труб. Для удаления воздуха, который скапливается в системе служит воздухоотделитель В. Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке. Рисунок 2.1 – Принципиальная схема холодильной установки 2.2 Устройство и принцип работы аппарата Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке. Рисунок 2.2 – Эскиз теплообменного аппарата: 1 – кожух; 2 – трубы; 3 – трубные решетки; 4,5 – распределительные камеры; 6 – козырек-отражатель; 11 – перегородка. Данный аппарат (рис 2.2) относится к теплообменным аппаратам тепло в котором, от горячего теплоносителя к холодному передаётся через стенку (в нашем случае через тонкую стенку металлической трубки). В данном испарителе аммиак под давлением поступают в межтрубное пространство, где испаряется на поверхности пучка труб, и в виде пара выводится из аппарата и направляется по технологическому процессу. В трубное пространство аппарата подаётся 25%-й раствор СаСl2 , где она охлаждается, отдавая тепло аммиаку. Испаритель состоит из трубчатки - пучка труб закреплённых в двух трубных решётках, данный пучок и составляет основную поверхность теплообмена; двух сьёмных крышек для подвода и отвода раствора СаСl2 . 2.3 Тепловые балансы и расчеты Тепловая нагрузка аппарата Q определяется по уравнению теплового баланса, [1]: Q = Qг или Q = Qх + Qпот (2.1) где Qг -количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем, Вт; Qх - количество теплоты, воспринимаемое холодным теплоносителем, Вт ; Qпот - тепловые потери, принимаемые в размере 3-5 % от Qг , Вт. Так как теплоноситель, расход которого задан по условию, изменяет свое агрегатное состояние, то уравнение для определения Q имеет следующий вид [1]: Q= 1,05∙Qисп =1,05∙Gх ∙r (2.2) Q= 1,05∙ =35044 Вт где Qисп - количество теплоты, необходимое для испарения, Вт; Q нагр - количество теплоты, необходимое для нагревания жидкости от tнх до температуры испарения tисп , Вт; r - удельная теплота парообразования, Дж/кг. Температура парообразования аммиака при давлении Р=2 атм. составит tисп =-18,7 0 С [3]; r=1335 кДж/кг – удельная теплота парообразования, [3]. При tисп = -18,7 0 С физико-химические свойства аммиака: = 4,6∙103 Дж/(кг·К), [1] - удельная массовая теплоемкость аммиака; =0,2∙10-3 Па∙с, [1] - динамический коэффициент вязкости аммиака в межтрубном пространстве; =0,581 Вт/(м∙К), [1] - коэффициент теплопроводности; = 666 кг/м3 , [1] – плотность аммиака. Для определения средней разности температур необходимо построить температурную схему процесса. Такая схема приведена на рис. 2.4, из которого видно, что холодный теплоноситель испаряется при постоянной температуре tисп , а горячий теплоноситель движется противотоком охлаждаясь от температуры tнг до температуры tкг [1]: Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке. Рисунок 2.4 — Температурная схема процесса испарения Средняя разность температур определяется по среднелога-рифмической зависимости [1]: (2.3) 2.4 Материальные балансы и технологические расчеты Агрегатное состояние 25 %-го раствора СаСl2 не изменяется, то его расход определяется по уравнению, [1]: Gг = (2.4) Gг = Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке. Произведем проверочный расчет выбранного испарителя. При значении >20 величина Nu рассчитывается по формуле: Тогда Определяем коэффициент теплопередачи: Кисп = Вт/(м2 ∙К) где λ сm =17,5 Вт/(м∙К) [1], δ=0,002 мм - коэффициент теплопроводности материала стенки труб и ее толщина; Σr3 =2,0∙10-4 (м2 ∙К)/Вт [1] - сумма термических сопротивлений загрязнений стенок. Расчетная поверхность теплообменника определяется из основного уравнения теплопередачи: Fр = Окончательно выбираем в соответствии с ГОСТ 15120-79 кожухотрубный теплообменник со следующими характеристиками: Поверхность теплообмена – 14,5 м2 ; Диаметр кожуха – 325 мм; Диаметр труб – 25×2 мм; Число ходов по трубам – 1; Число труб общее – 62 шт; Число труб в одном ходу – 62 шт; Длина труб – 3 м. Определяем запас поверхности по формуле: Δ= (2.19) Δ= Поверхность выбранного теплообменника полностью удовлетворяет нормальным условиям протекания технологического процесса Δ=5÷20 %. 2.5 Конструктивные расчеты. По формуле [3]: (2.20) определяем диаметры патрубков для рабочих сред при их параметрах (затраты, скорости и плотность) Скорости движения теплоносителей: -для жидкостей: 0,1 — 0,5 м/с - при самотёке; 0,5 — 2,5 м/с - в напорных трубопроводах; - для пара 15- 40 м/с; - для газов 5-15 м/с. Диаметр патрубка для входа и выхода 25 %-ного раствора СаСl2 в аппарат (при плотности ρ= 1240 кг/м3 ) Диаметр патрубка для входа аммиака в аппарат Диаметр патрубка для выхода пара аммиака из аппарата Принимаем диаметры патрубков равными: - для входа 25 %-ного раствора СаСl2 в аппарат - 35 мм; - для выхода 25 %-ного раствора СаСl2 - 35 мм; - для входа аммиака в аппарат - 35 мм; - для выхода пара аммиака из аппарата - 120 мм. 3. Прочностные расчеты аппарата Основные расчетные параметры: Максимальная рабочая температура среды t=20 о С. Рабочее давление в межтрубном пространстве Р=0,2 МПа. Рабочее давление в трубном пространстве Р=0,28 МПа. Расчетное давление для аппаратов с рабочим избыточным давлением Р>0,07 МПа согласно рекомендациям приведенным (2, стр.9) составит Рмтр =1,1р=1,1·0,2=0,22 МПа. (3.1) Ртр =1,1р=1,1·0,28=0,31 МПа. Расчеты на прочность выполняются с учетом прибавки, в данном случае принимаем равной: С=П∙τ=0,1·20 =4 мм, (3.2) где П = 0,2 мм/год – проницаемость материала, мм/год; t = 20 лет – срок службы аппарата, лет. Коэффициент прочности сварных швов (φ=0,9 - для стыковой с двухсторонним проваром, выполненной автоматической и полуавтоматической сваркой при контроле швов по длине до 50% [2]. Допускаемое напряжение слоя листа (сталь Ст3кп) при 20 °С и расчетной температуре соответственно: [σ20 ]=154 МПа; [σ]=154 МПа. Расчетное значение предела текучести для стали Ст3кп [2]: [σт20 ]=250 МПа. Допускаемое напряжение в условиях гидравлических испытаний определяется по формуле: [σ]и =σт20 /1,1=250/1,1=227 МПа. Пробное давление при гидроиспытании [2]: (3.3) - межтрубного пространства: , - трубного пространства: 3.1 Расчет толщины стенки трубного пучка Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке. Рисунок 3.1 – Расчетная схема цилиндрической обечайки Расчетная (номинальная) толщина стенки обечайки определяется по формуле [2]: (3.4) где D – внутренний диаметр обечайки. Исполнительная толщина листа для обечайки: s ≥ sр + с = 0,41+4 = 4,41 мм Согласно ГОСТ 19903 с учетом прибавки с = 4 мм принимаем толщину листа: S = 6 мм. Проверяем условие применимости формул безмоментной теории: (s-с)/D≤0,1 (3.5) (6-4)/325=0,00615, что меньше 0,1 – условие применимости формул выполнено. Допускаемое внутреннее давление для обечайки с s =6 мм определяется по формуле [2]: - в рабочих условиях (3.6) - в условиях гидравлических испытаний (3.7) 3.2 Расчет толщины крышки аппарата Принимаем эллиптическое днище с высотой Н=0,25∙D, для которого расчетный параметр R=D=325 мм. Конструкция эллиптического днища представлена на рис. 3.2. Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке. Рисунок 3.2 – Расчетная схема эллиптической крышки Расчетный параметр эллиптической крышки определяется по формуле: (3.8) Согласно ГОСТ 19903 с учетом прибавки с=4 мм принимаем толщину листа: s=6 мм. Допускаемое внутреннее давление для эллиптической крышки с s = 6 мм определяется по формуле: - в рабочих условиях (3.9) - в условиях гидравлических испытаний (3.10) Проверяем условия применимости формул: 0,002≤ = =0,00625 ≤ 0,1 – условие выполнено; 0,2≤ = = 0,25 ≤ 0,1 – условие выполнено. 3.3 Расчет и выбор опоры Расчетные загрузки в горизонтальном аппарате, установленном на двух седловых опорах, показаны на рис. 3.3. Определяем максимальные нагрузки. Масса теплообменника согласно табл. 11.10, [4]: Mап =680 кг. Масса жидкости в теплообменнике при гидроиспытании (полное заполнение): mж =ρж (2Vдн +0,785∙D2 lц ), (3.11) где Vдн – объем эллиптического днища по ГОСТ 6533-78, м3 , Vдн =0,0055 м3 [2]; 1. Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке. енинград, отд-ние, 1982. – 384 с., ил. 2. Анурьев В.И. Справочник конструктора – машиностроителя: В 3-х т. Т.1. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1978. –728с.,ил. 3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – 9-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия,1973. –754с. 4. ГОСТ 14248 – 79. Испарители с паровым пространством. Типы, основные параметры и размеры. Приложение