Расчет гидравлического сопротивления кожухо-трубчатого теплообменника

3.4 Расчет гидравлического сопротивления кожухо-трубчатого теплообменника

Скорость движения горячего теплоносителя в трубах определили согласно [12,С.68]:

W_тр = 4 × G_тр × z / (П × d × n × r_тр) (3.9)

где G_тр - массовый расход хлоргаза, кг/с;

z - число ходов;

d - внутренний диаметр трубки, м;

n - число труб в пучке;

r_тр – плотность теплоносителя, текущего в трубах, кг/м³.

Массовый расход хлоргаза, G_тp, кг/с, проходящего в трубах, определили в формуле (3.6) настоящего расчета:

G_тp = G₁ = 28,56 кг/с

Число ходов в теплообменнике приняли согласно ГОСТ 15120:

z = 1

Внутренний диаметр трубки приняли согласно ГОСТ 15120:

d = 0,021 м

Число труб в пучке приняли согласно ГОСТ 15120:

n = 465

Плотность теплоносителя, текущего в трубах, приняли согласно ГОСТ 15120:

r_тр = 4,11

Скорость движения горячего теплоносителя, W_тр, м/с:

W_тр = 4 × 28,56 × 1 / (3,14 × 0,021 × 465 × 4,11) = 3,35 м/с

Число Рейнольдса определили согласно [12,С.13]:

Re = W_тp × d_э × r₁ / m, (3.10)

где W_тp - скорость движения горячего теплоносителя в трубах, м/с;

d_э - эквивалентный диаметр, м;

r₁ - плотность хлоргаза при его средней температуре, кг /м³;

m - динамическая вязкость.

Скорость движения горячего теплоносителя в трубах определили в формуле (3.9) настоящего расчета:

W_тр = 3,35 м/с

Эквивалентный диаметр для круга диаметром d, м, определили согласно [12,С.14]:

d_э = d (3.11)

где d - внутренний диаметр трубки, м.

Согласно ГОСТ 15120 диаметр трубки d, м:

d = 0,021 м

Согласно [12,С.14] приняли:

d_э = 0,021 м

Плотность хлоргаза при температуре минус 9, 65 °С составляет:

r₁ = 4, 11 кг/м³

Динамическая вязкость хлоргаза m, Па×с, согласно [19,С.257] составляет:

m = 0,0000117 Па×с

Число Рейнольдса:

Re = 3,35 × 0,021 × 4,11 / 0,0000117 = 24712,69

Полученное значение числа Рейнольдса показывает, что движение газа в трубах является турбулентным.

В турбулентном потоке различают три зоны; для которых коэффициент трения рассчитывают по разным формулам:

а) для зоны гладкого трения, когда:

2320 < Re < 10/е, (3.12)

б) для зоны смешанного трения, когда:

10 / е < Re < 560 / е, (3.13)

в)для зоны, автомодельной по отношению к Re:

Re > 560/е, (3.14)

Для зоны гладкого трения коэффициент трения составит:

l = 0,316 / Re, (3.15)

Для зоны смешанного трения коэффициент трения составит:

l = 0,11 × (е + 68 / Re), (3.16)

Для зоны, автомодельной к числу Рейнольдса:

l = 0,11 × е (3.17)

В формулах (3.14) - (3.17) е является относительной шероховатостью и определяется согласно [12,С.14]:

е = D / d_э, (3.18)

где D - абсолютная шероховатость трубы, м;

d_э - эквивалентный диаметр, м.

Согласно [12,С.14] для новых стальных труб абсолютная шероховатость:

d_э = 0,00006 - 0,0001 м

Для расчета выбрали значение абсолютной шероховатости:

D = 0,0001 м

Относительная шероховатость трубы составляет:

е = 0,0001 / 0,021 = 0,0048

Для расчета коэффициента трения произвели:

10 / е = 10 / 0,0048 = 2083,33

560 / е = 560 / 0,0048 = 116666,66

Определили сравнение, для коэффициента трения:

l = 0,11 × ( е + 68 / Re ) (3.19)

Коэффициент трения X составил:

l = 0,11 × (0,0048 + 68 / 24712,69 ) = 0,0008

4 Механическая часть 4.1 Выбор конструкционных материалов для проведения реконструкции

Для изготовления обечайки конденсатора при условии, что теплообменный аппарат работает с неагрессивной средой, выбрали металлические листы из стали 16ГС ГОСТ 5520. Для изготовления трубок применили конструкционную углеродистую качественную сталь 20 ГОСТ 914.

4.1.1 Таблицы химического состава и механических свойств конструкционных материалов

Химический состав стали 16ГС приведен в таблице 4.1.

Механические свойства стали 16ГС приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.1 - Химический состав стали 16ГС

с,	Si,	Mn,	P,	s,
0,12-0,18	0,40-0,70	0,90-1,20	0,035	0,04
Cr,	Ni,	Cu,	As,	N,
0,30	0,30	0,30	0,08	0,008

Таблица 4.2 - Механические свойства стали 16ГС

Термическая обработка	Твердость, НВ	Временное сопротивление разрыву, МПа	Предел текучести, МПа	Относительное удлинение, %
Прокат	—	Более 450	Более 275	Более 21

Химический состав стали 20 приведен в таблице 4.3

Механические свойства стали 20 приведены в таблице 4.4

Таблица 4.3 - Химический состав стали 20

с,	Si,	МП,	P,	s,
0,17-0,24	0,17-0,37	0,35-0,65	0,035	0,04
Cr,	Ni,	Cu,	As,	N,
0,25	0,30	0,30	0,08	—

Таблица 4.4-Механические свойства стали 20

Термическая обработка	Твердость НВ	Временное сопротивление разрыву, МПа	Предел текучести, МПа	Относительно удлинение, %
Прокат	163	Более 390-490	Более 245	Более 25

4.2 Расчет на прочность элементов конденсатора 4.2.1 Расчет на прочность цилиндрической обечайки

Рабочее давление в конденсаторе Р_раб, МПа, принимали согласно технологическим данным:

Р_раб = 0,3 МПа

Гидростатическое давление столба жидкости Р_г, МПа, определили согласно [17,С.8]:

Р_г = r_рас × g × Н (4.1)

где r_рас - плотность рассола при температуре минус 28,5 °С, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Н - высота столба жидкости, м.

Плотность рассола при температуре минус 25,5 °С:

r_рас = 1270 кг/м³

Ускорение свободного падения:

g = 9,81 м/с²

Высота столба жидкости определили как длину труб:

Н = 6 м

Гидростатическое давление в конденсаторе:

Р_г = 1270 × 9,81 × 6 = 74752,2 Па

Расчетное давление:

Р_расч = Р_раб + Р_г,

Р_расч = 300000 + 74752 = 374752 Па

Нормальное допускаемое напряжение [s], МПа для стали 16ГС при температуре минус 28,5°С рассчитывали согласно [17,С.9] как для температуры плюс 20°С в рабочих условиях:

[s] = h × s (4.2)

где [s] - допускаемое напряжение, МПа;

h - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки;

s - нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре, МПа.

Поправочный коэффициент h, учитывающий вид заготовки приняли согласно [17,С.10] как для листового проката:

h = 1,0

Нормативное допускаемое напряжение при температуре плюс 20 °С принимали согласно [17,С.11]:

s = 170 МПа

Допускаемое напряжение составит:

[s] = 1,0 × 170 = 170 МПа

Допускаемое напряжение при гидроиспытании:

[s] = s_т / 1,1 (4.3)

где [s] - допускаемое напряжение при гидроиспытании, МПа;

s_т - предел текучести, МПа.

Предел текучести принимали согласно [17,С.282]:

s_т = 280 МПа

Допускаемое напряжение при гидроиспытании составило:

[s] = 280 / 1,1 = 254,55 МПа

Расчетную толщину стенки аппарата S', определили согласно [17,С.18]:

где S’ - расчетная толщина стенки обечайки, м;

Р_р - рабочее давление внутри аппарата, МПа;

D - внутренний диаметр конденсатора, м;

[s] - допустимое напряжение, МПа;

j - коэффициент прочности сварного шва;

Р_и - давление при гидроиспытании, МПа;

[s]_и - допустимое напряжение при гидроиспытании, МПа.

Рабочее давление внутри аппарата Р_р, МПа, приняли согласно производственных данных:

Р_р = 0,3 МПа

Внутренний диаметр конденсатора D, м приняли согласно ГОСТ 15120:

D = 0,8 м

Допустимое напряжение [s], МПа, определили согласно уравнения (4.2) настоящего расчета:

[s] = 170 МПа

Коэффициент прочности сварного шва для автоматической дуговой сварки, принимали согласно [17,С.13]:

j = 1

Согласно уравнению (4.4) производим выбор:

S' = (0,3 × 0,8) / (2 × 1 × 170 - 0,3) = 0,003 м

S' = (0,5 × 0,8) / (2 × 1 × 254,55 - 0,5) = 0,002 м

Принимаем максимальное значение расчетной толщины стенки обечайки:

S’ = 0,003 м

Исполнительную толщину стенки обечайки S, м определили согласно [17,С.10]:

S = S’ + C₁, (4.5)

где S’ - расчетная толщина стенки, м;

С₁ - прибавка к расчетной толщине стенки, м.

Расчетную толщину стенки S’, м, определили в уравнении (4.4);

S’ = 0,003 м

Исполнительная толщина стенки составит:

S = 0,003 + 0,001 = 0,004 м

Согласно ГОСТ 380 принимаем исполнительную толщину S, м, стенки:

S = 0,005 м

Допускаемое рабочее давление [Р], МПа определили согласно [17,С.19]

[Р] = (2 × j × [s] × (S - C))/(D + S - С), (4.6)

где [Р] - допускаемое рабочее давление, МПа;

j - коэффициент прочности сварного шва;

[s] - допускаемое напряжение в рабочих условиях, МПа;

S - исполнительная толщина стенки, м;

С - прибавка на коррозию, м;

D - внутренний диаметр конденсатора, м.

Коэффициент прочности сварного шва j, принимали согласно [17,С.10]:

j = 1,0

Исполнительную толщину стенки 3, м приняли согласно ГОСТ 380:

S = 0,005 м

Внутренний диаметр конденсатора D, м, принимали согласно ГОСТ 15120:

D = 0,8 м

Допускаемое давление при рабочих условиях составит:

[Р] =[2 × 1,0 × 170 × 10 × (0,005 - 0,001)]/(0,8 + 0,005 - 0,001) = 1691542,6 Па = 1,7 МПа

Допускаемое давление при гидроиспытании [Р]_и, МПа определили согласно [17,С.19]:

[Р]_и = (2 × j × [s]_и × (S - С)) / (D + S - C), (4.7)

где j - коэффициент прочности сварного шва;

[s]_и - допускаемое напряжение при гидроиспытании, МПа;

S - исполнительная толщина стенки конденсатора, м;

С - прибавка на коррозию, м;

D - внутренний диаметр конденсатора, м.

Коэффициент прочности сварного шва j, приняли согласно [17,С.10]:

j = 1,0

Допускаемое давление при гидроиспытании составит:

[Р]_и = (2 × 1,0 × 254,55 × 10 × (0,005 - 0,001) / (0,8 + 0,005 - 0,001) =

= 213656З,8 Па = 2,13 МПа

4.2.2 Расчет фланцевых соединений

Фланец приняли типа "шип-паз".

Расчетную температуру фланцев t_ф, °C, приняли согласно [17,С.92]:

t_ф = t, (4.8)

где t - температура рассола в конденсаторе, С.

Температуру рассола в конденсаторе t, °C, приняли согласно технологическим данным по производству жидкого хлора:

t = минус 28,5 °С

Расчетная температура фланцев t_ф, °С:

t_ф = минус 28,5 °С

Расчетную температуру болтов и обечайки t_б, °C, определяли согласно [17,С.92]:

t_б = 0,97 × t, (4.9)

где t - температура рассола в конденсаторе, °С.

Расчетная температура болтов и обечайки t_б, °C:

t_б = 0,97 × ( минус 28,5) = минус 27,85 °С

Допускаемое напряжение для стальных болтов (шпилек) [s]_б, МПа приняли согласно [17,С.93]:

[s]_б = 130 МПа

Толщину втулки фланца S, м определили для приварного встык согласно [17,С.93]:

S < S_ф < 1,3 × S (4.10)

где S - исполнительная толщина стенки обечайки, м;

S_ф - толщина втулки фланца, м.

Исполнительную толщину стенки обечайки S, м приняли согласно ГОСТ 380:

S = 0,005 м

Для нахождения толщины втулки фланца определили условия уравнения (4.10) настоящего расчета:

S = 0,005 м

1,3 × S = 0,0065 м

Толщину втулки фланца S_ф, м приняли:

S_ф = 0,006 м

Исполнительную толщину стенки обечайки и основания втулки приварного встык фланца S₁, м определили согласно [17,С.93]:

S₁ = b₁ × S_ф (4.11)

где b₁ - коэффициент;

S_ф - толщина втулки фланца, м.

Коэффициент b₁, определяемый согласно [17,С.95], приняли:

b₁ = 1,8

Исполнительная толщина стенки обечайки и основания втулки приварного встык фланца составит:

S₁ = 1,8 × 0,006 = 0,0108 м

Высоту втулки фланца для приварного встык фланца h_в, м, определили согласно [17,С.94]:

h_в > (1/i) × (S₁ - S ), (4.12)

где i - уклон втулки;

S₁ - исполнительная толщина стенки обечайки у основания втулки, м;

S₀ - толщина втулки фланца, м.

Уклон втулки i приняли согласно [17,С.94]:

i = 0,33

Высота втулки фланца для приварного встык фланца составит:

h_в > (1/0,33) × (0,0108 - 0,006) = 0,0144 м

Приняли высоту втулки фланца;

h_в = 0,015 м

Диаметр болтовой окружности фланца D_б, м, определили согласно [17,С.95]:

D_б > D + 2 × (S₁ + d_б + u) (4.13)

где D - внутренний диаметр конденсатора, м;

S₁ - исполнительная толщина стенки обечайки у основания втулки, м;

d_б - наружный диаметр болта, м;

и - нормативный зазор между гайкой и втулкой, м.

Внутренний диаметр фланца D, м приняли:

D = 0,3 м

Наружный диаметр болта d_б, м выбрали согласно[17,С.94]:

d_б = 0,02 м

Нормативный зазор между гайкой и втулкой u, м определили согласно [17,С.95]:

U = 0,005 м

Диаметр болтовой окружности фланца составит:

D_б > 0,8 + 2 × (0,0108 + 0,02 + 0,005) = 0,37 м

Принимаем диаметр болтовой окружности фланца D_б, м:

D_б = 0,4 м

Наружный диаметр фланцев D_h, м принимаем согласно [17,С.95];

D_h > D_б + а (4.14)

где D_б - диаметр болтовой окружности фланца, м;

а - конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру, м.

Конструктивную добавку для размещения гаек по диаметру а, м, определили согласно [17,С.95]:

а = 0, 04 м

Наружный диаметр фланцев D_h, м:

D_н > 0,4 + 0,04 = 0,44 м

Приняли наружный диаметр фланцев D_h, м:

D_h = 0,45 м

Наружный диаметр прокладки D_н.п., м, для приварных встык фланцев определили согласно [17,С.96]:

D_н.п. = D_б – е (4.15)

где D_б - диаметр болтовой окружности фланца, м;

е - нормативный параметр, м.

Нормативный параметр для плоских прокладок е, м, определили согласно [17,С.95]:

е = 0,03 м

Наружный диаметр прокладки В_н.п., м, для приварных встык фланцев составит:

D_н.п. = 0,4 - 0,03 = 0,37 м

Для аппарата диаметром менее 1,0 м выбрали плоские неметаллические прокладки.

Средний диаметр прокладки D_c.п., м, определили согласно [17,С.95]:

D_с.п. = D_н.п. – b (4.16)

где D_н.п. - наружный диаметр прокладки, м;

b - ширина прокладки, м.

Ширину прокладки b, м принимали согласно [17,С.96]:

b = 0,015 м

Средний диаметр прокладки составит:

D_с.п. = 0,37 - 0,015 = 0,355 м

Количество болтов n_б, шт, необходимое для обеспечения герметичности соединения определили согласно [17,С.96]:

n_б > 3, 14 × D_б / t_ш (4.17)

где D_б - диаметр болтовой окружности;

t_ш - рекомендуемый шаг расположения болтов.

Рекомендуемый шаг расположения болтов t_ш, м выбрали в зависимости от давления согласно [17,С.97]:

t_ш = (4,2 - 5) × d_б (4.18)

где d_б - наружный диаметр болта, м.

Наружный диаметр болта t_б, м, выбрали согласно

t_б = 0,02 м

Рекомендуемый шаг расположения болтов составит:

t_ш = (4,2 - 5) × 0,02 = 0,84 - 0,1 м

Принимаем шаг расположения болтов:

t_ш = 0,1 м

Количество болтов n_б, штук, необходимое для обеспечения герметичности:

n_б > 3,14 × 0,4/0,1 = 12,56 штук

Количество болтов приняли 16 штук.

Ориентировочную высоту фланца h_ф, м, определили согласно [17,С.96]:

h_ф > l_ф × D × S_эк (4.19)

где l_ф - коэффициент;

D - внутренний диаметр конденсатора, м;

Зэк - эквивалентная толщина втулки, м.

Коэффициент l_ф приняли согласно [17,С.97]:

l_ф = 0,41

Внутренний диаметр конденсатора D, м, определили согласно ГОСТ 15120:

D = 0,8 м

Эквивалентную толщину втулки S_эк, м, определили согласно [17,С.96]:

(4.20)

где S_Ф - толщина втулки фланца, м;

h_B - высота втулки фланца приварного встык, м;

b₁ - коэффициент;

D - внутренний диаметр конденсатора, м.

Эквивалентная толщина втулки S_эк, м:

Высота фланца n_ф, м:

h_ф > 0,41 × 0,8 × 0,007 = 0,03 м