Курсовая работа (т): Расчет теплообменного аппарата

Расчет теплообменного аппарата

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина»

Кафедра Теплоэнергетики и теплотехники

Курсовой проект

на тему: Расчет теплообменного аппарата

Выполнил:

Тимофеев С.Н.

Екатеринбург

1. Вертикальный бойлер-аккумулятор

Исходные данные:

Греющий пар:изб=2 ат

Нагреваемый мазут М40:

t2’ = 40 ^оС” = 80 ^оС

Объем бака V = 2 м3

Время нагрева ф = 2 часа.

Содержание проекта:

Описание аппарата

Тепловой и конструктивный расчет

Гидравлический расчёт

Механический расчет элементов конструкции теплообменного аппарата.

Расчёт тепловой изоляции

КИП и А

Требования «Ростехнадзора»

Графическая часть проекта:

Сборочный чертёж аппарата

Сборочный чертёж корпуса

Деталировка корпуса

2. Описание аппарата

Теплообменные аппараты типа: бойлеры-аккумуляторы применяют для нагрева и накопления жидкостей.

Бойлер-аккумулятор представляет собой сравнительно большую ёмкость <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%81%D0%BC%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> с размещенным в ней или, реже, под ней, источником тепла <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%B3%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C>. Нагрев может производиться при помощи парового или водяного теплообменника <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BE%D0%B1%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B8%D0%BA>- в нём циркулирует нагреваемая жидкость в замкнутом контуре

Бойлер может также нагреваться с помощью размещенного внутри него ТЭНа <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D1%83%D0%B1%D1%87%D0%B0%D1%82%D1%8B%D0%B9_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%B3%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C> или расположенной под нагревательной емкостью газовой горелкой <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%B3%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C>. Существуют также комбинированные модели, включающие два или реже более видов нагревательных элементов. Например: ТЭН + теплообменник; теплообменник, работающий от системы отопления + теплообменник, нагреваемый солнечным коллектором <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80>.

Водонагревательная ёмкость снаружи защищена слоем теплоизоляции и защитным кожухом. Снаружи к нагревательному элементу подсоединяется пульт управления, обязательно включающий управление температурой. Обычно это биметаллический термостат <https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%B0>. Нагрев включается, когда термодатчик регистрирует в баке температуру ниже установленной.

Различают водонагреватели закрытого (напорного) и открытого(безнапорного) типов.

Теплообменник сварной с паровой рубашкой. Корпус выполнен из стали (Ст10).

3. Расчёт теплообменного аппарата

.1 Конструктивный тепловой расчет

Температура насыщения пара при абсолютном давлении P_а = P_изб + 0,1 = 0,3 МПа: t_s = 136 ^оС

Средняя за время ф температура мазута:

Теплофизические характеристики мазута М40 по его средней температуре:

Удельная тепловая производительность бойлера-аккумулятора:

Определение коэффициента теплопередачи бойлера-аккумулятора:

Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке:

Определяющий размер  примем 1 м.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому мазуту:

л = 50 Вт/м∙К - коэффициент теплопроводности стали;

s = 10 мм - толщина стенки корпуса аппарата.

Площадь поверхности нагрева:

В качестве корпуса аппарата берем стальную цилиндрическую обечайку (трубу) внутренним диаметром  (в соответствии с ГОСТ 9617-67).

Высота цилиндрической части корпуса бойлера:

Принимаем L=3 м.

Выбираем в соответствии с выбранным диаметром днище и крышку:

Днище 1020Ч255-25-09Г2С ГОСТ 6533-78

Крышка 1020Ч255-25-09Г2С ГОСТ 6533-78

Выбираем в соответствии с диаметром рубашку:

Рубашка I-1100-765-4/6 ОН 26-01-73-78

Зависимость расхода пара от времени нагрева:

Рисунок 1

Средний расход пара за 2 часа:

.2 Расчёт и выбор патрубков

Скорость пара в трубках выбирается из диапазона 30-50 м/с, примем скорость пара 30 м/с.

Внутренний диаметр входного патрубка паровой рубашки:

Возьмем трубу для патрубка (согласно ГОСТ 10704-91) .

Скорость воды в трубках выбирается из диапазона 1-3 м/с, примем скорость воды (конденсата) 1 м/с. Массовый расход пара по балансу равен массовому расходу конденсата.

Внутренний диаметр выходного патрубка паровой рубашки:

Возьмем трубу для патрубка (согласно ГОСТ 10704-91) .

Скорость жидкостей с вязкостью большей, чем у воды, в трубках не превышает 1 м/с, примем скорость для мазута 0,5 м/с. Время полного опорожнения бойлера составляет 30 минут.

Внутренний диаметр сливного патрубка корпуса:

Возьмем трубу для патрубка (согласно ГОСТ 10704-91) .

Внутренний диаметр входного патрубка корпуса:

Возьмем трубу для патрубка (согласно ГОСТ 10704-91) .

.3.1 Прочностной расчет элементов конструкции:

Конструктивный механический расчет обеспечивает прочность элементов в процессе эксплуатации. Для цилиндрических теплообменных аппаратов производится расчет следующих элементов конструкции: толщины стенок корпуса, крышек и днищ; трубных досок; фланцевых соединений.

В качестве материала корпуса используем сталь марки 10.

При выполнении расчета за нормативное допускаемое напряжение принимается наименьшее из двух напряжений и :

Нормативное допускаемое напряжение и предел текучести для стали 10 при температуре стенки 133,3 ^оС:

3.3.2 Расчёт толщины стенки аппарата

Проверка толщины стенки на напряжение при гидравлическом испытании аппарата:

.3.3 Расчет днищ и крышек

Днища и крышки изготавливаются из того же металла, что и корпус аппарата. В теплообменных аппаратах чаще всего применяются эллиптические или сферические днища с отбортовкой для обеспечения качественной сварки с цилиндрической части корпуса или крышки.

Расчетная толщина стенки крышки подверженной внутреннему давлению, определяется по формуле:

где k - коэффициент,

h_в=0,255 м -высота выпуклой части крышки

d - наибольший диаметр неукрепленного отверстия в крышке;

 - коэффициент прочности сварного шва, ;

С - прибавка на коррозию

Проверка толщины стенки крышки аппарата на напряжение при гидравлическом испытании:

Расчетная толщина стенки днища подверженной внутреннему давлению, определяется по формуле:

_в=0,255 м -высота выпуклой части днища;

k -коэффициент,(швов нет)

 - коэффициент прочности сварного шва, ;

С - прибавка на коррозию

Проверка толщины стенки днищя аппарата на напряжение при гидравлическом испытании:

Цель расчета - определение критического давления, при котором корпус может утратить свою цилиндрическую форму и стать эллиптическим или волнообразным.

Где D - средний диаметр оболочки, м;

S - толщина стенки оболочки, м.

Критическое напряжение:

При 0,5D_с<H<H_кр

Критическое давление:

Допустимое с точки зрения устойчивости давление:

Берём стандартные фланцы и болты:

По ГОСТ1255-67:

) Входной патрубок паровой рубашки:

Фланец 1-18 -12Х18Н10Т АТК 24.201.18-91

Болты М2,5, 4 штуки

) Выходной патрубок паровой рубашки:

Фланец 1-18 -12Х18Н10Т АТК 24.201.18-91

Болты М2,5, 4 штуки

) Входной патрубок аппарата:

Фланец 1-140 -12Х18Н10Т АТК 24.201.18-91

Болты М12, 4 штуки

)Входной патрубок аппарата:

Фланец 1-140 -12Х18Н10Т АТК 24.201.18-91

Болты М12, 4 штуки

Фланцы подобраны под давление P=0,6 МПа

Материал: сталь 12Х18Н10Т

Стандартные фланцы стальных сварных аппаратов, цельные для обечаек и днищ с внутренними базовыми размерами:

Соединение корпус-крышка:

Фланец 1-1100 -12Х18Н10Т АТК 24.201.18-91

Болты М20, 40 штук

Фланцы подобраны под давление P=0,3 МПа

Материал: сталь 12Х18Н10Т

.3.4 Расчёт опор аппарата

Расчёт опор вертикальных аппаратов производится по максимальному весу аппарата G_max при заполнении его водой.

Общая площадь всех опор:

где F₀ - суммарная площадь всех опор аппарата:

G_max - масса заполненного мазутом аппарата: G_max=2200 кг

у_фунд - допускаемое напряжение в фундаментах: у_фунд=2 МПа (для фундамента из бетона)

где n - количество опор, n=2

Рассчитываем толщину ребра S_р:

где k_р - коэффициент от гибкости ребра (условно принимаем 0,6)

m - количество рёбер в опоре

a - вылет опоры, принимается из конструктивных соображений (принимаем 0,03 м)

у - допускаемое напряжение опоры материала на изгиб, берём сталь 10 с у=122,9 Мпа

Производим проверку:

Подбираем другой коэффициент k_р по графику функции k_р от a/S_р:

Производим проверку:

при k_р=0,3, a/S_р=25;0,03/0,0011=24,6

Берём толщину ребра S_р=12 мм по сортаменту.

.4 Расчёт изоляции аппарата

В соответствии со СНиП 41-03-2003 для диапазона температур с 20 до 300°С, в качестве изоляции аппарата берём стекловату с: л=0,05 Вт/мК,ƿ=2,5 м³/кг.

По санитарным нормам температура поверхности изоляции оборудования, находящегося в закрытом помещении при температуре окружающей среды =25⁰С не должна превышать величины  = 45 ⁰С.

Температура стенки  берется из теплового расчета.

t_ст =133⁰С.a_из=8 Вт/м²×К - коэффициент теплоотдачи;Толщина слоя изоляции.

м ,примем 7 мм

После определения толщины изоляции проводят проверку полученной величины по допустимому тепловому потоку []. Для этого рассчитывают тепловой поток с изолированной поверхности аппарата по формуле

= =63  

[]=104

Величина расчетного теплового потока не превышает допустимую, . Принимаем изоляцию: стекловату, толщиной 7 мм.

4. Контрольно-измерительные и регулирующие приборы

Для управления работой и обеспечения безопасных условий эксплуатации аппараты в зависимости от назначения должны быть оснащены приборами для измерения давления, приборами для измерения температуры, предохранительными устройствами, указателями уровня жидкости.

При испытании теплообменных аппаратов в эксплуатационных условиях обычно замеряются:

1)      температура воды на входе в аппарат;

2)      температура воды на выходе из аппарата;

)        давление воды на входе в аппарат;

)        давление воды на выходе из аппарата;

)        расход воды через аппарат.

Для производства замеров указанных величин теплообменный аппарат должен быть оснащен соответствующими измерительными приборами.

Место установления, класс точности, шкала и частота поверки приборов определяется согласно Правилам.

При необходимости контроля уровня жидкости в аппаратах, имеющих границу раздела сред, должны применяться указатели уровня.

В теплообменном аппарате КИП являются термометры, манометры, измерительные диафрагмы. На всасывающей линии воды устанавливают приемный клапан и задвижку (для отключения насоса). На нагнетательной - обратный клапан, регулирующую задвижку, а также вентиль залива насоса водой перед пуском, манометр.

Шкала манометра выбирается таким образом, чтобы рабочее давление составляло 3/4 предела измерений данного манометра. Диаметр манометра должен быть не менее 100 мм при установке на высоте до 2 м от уровня пола. Температура в месте установки манометра не должна превышать 60 ⁰С. Манометр устанавливается строго вертикально.

Обратный клапан и манометр устанавливают за насосом на нагнетательной линии воды.

Термометры устанавливают в специальные гильзы, которые расположены в штуцерах на входе и на выходе воды.

При автоматическом управлении необходима установка манометров как прямого действия (на теплообменнике), так и непрямого действия (на пульте).

Если манометр находиться на высоте 2-5 м от пола, где находиться теплообменный аппарат, то и диаметр манометра - 250 мм. Манометры и термометры допускаются к эксплуатации после прохождения технического освидетельствования.

Для измерения температуры теплоносителей рассчитываемого теплообменного аппарата будут использоваться технические ртутные термометры ТТ с пределами измерения 0-300 ⁰С (для пара) и 0-160 ⁰С (для воды).

Давление мазута и пара будет измеряться манометрами типа МТ (механическими показывающими и самопишущими манометрами с одновитковой трубчатой пружиной) с пределами измерений, соответственно 0-1МПа и 0-1,6 МПа.

Для измерения расхода теплоносителей будет использоваться диафрагма типа ДБ, Сигнал с диафрагмы идет на дифманометр ДСЭР (сильфонный дифманометр).

5. Требования «Ростехнадзора»

Основные требования к кожухотрубчатым теплообменным аппаратам изложены в «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

Конструкция аппаратов должна обеспечивать надежность и безопасность эксплуатации в течение расчетного срока службы, указанного в паспорте, и предусматривать возможность проведения технического освидетельствования и ремонта. Для поддержания экономичной и безотказной работы теплообменных аппаратов необходим регулярный контроль за состоянием отдельных элементов оборудования, определение фактических показателей работы аппаратов и сопоставление их с нормативными, анализ причин ухудшения показателей работы и их оперативное устранение.