Холодильник охлаждения азота

Число ходов по трубному пространству  

Количество труб 

Длина труб 

Поверхность теплообмена   

Расстояние между перегородками

Число перегородок в межтрубном пространстве:

Проходное сечение в трубном  пространстве:        

Проходное сечение в межтрубном пространстве:   

 

 

Конструктивно-механический расчет [4,5,6]

Расчет  и подбор штуцеров [1]

Для расчета гидравлического  сопротивления необходимо подобрать  штуцера для подачи/отвода теплоносителя. Внутренний диаметр (диаметр условного  прохода) штуцеров расчитывается из уравнения массового расхода.

Название штуцера                                           скорость потока, м/с                     

Входной штуцер для подачи азота                   

Выходной штуцер для отвода азота

Входной штуцер для подачи рассола

Выходной штуцер для отвода рассола

Название штуцера                                         Диаметр штуцера, м

Входной штуцер для подачи воздуха 

Выходной штуцер для отвода воздуха 

Входной штуцер для подачи пара         

Выходной штуцер для отвода конденсата    

Давление в трубе на входе и выходе из холодильника для раствора NaCl расчитывается следующим образом:

Вылет штуцера, согласно справочной литературе [1, стр. 659]:

Название штуцера                                     Вылет, м

Входной штуцер для подачи азота  

Выходной штуцер для отвода азота   

Входной штуцер для подачи рассола   

Выходной штуцер для отвода рассола 

Подбор фланцев

Подбор фланцев  для штуцеров [3, стр. 214]

При известном проходе  штуцера, из сортамента выбираем фланцы штуцеров.

В сортаменте указаны давления и условные диаметры штуцеров. Фланцы выбираются в соответствии с этими  значениями, однако диаметр условного  прохода в сортаменте выбираем билзким к диаметру штуцера, толщина стенки патрубка при этом будет равна   разности внутренних радиусов фланца и патрубка. Количество отверстий под болты должно быть кратным 4. Так как даление невысокое, то  для всех фланцев, используем паранитовые прокладки, с толщиной в 2 мм [3, стр. 214] .

Фланцы штуцеров: плоские  приварные.

 

 

 

 

 

 

 

 

Назначение штуцера	Dy	Dф	Dб	D1	D2	D4	D5	h	h1	h2	d	z
	мм
вход азота	250	370	335	312	304	273	279	18	18	20	18	12
выход азота
вход рассола	400	535	495	465	457	426	433	18	24	32	23	16
выход рассола

 

 

Подбор фланцев  для соединения обечайки с крышкой  и днищем [3, стр. 237] 

Выбор  фланцев производится аналогичным образом, как при  подборе фланцев для штуцеров.

Предел давления	D	Dф	Dб	D1	D2	D3	D4	D5	H	h	a	a1	d	число отверстий z	dб
Мпа	мм														мм
1	600	740	700	664	672	63	614	634	65	35	14	12	23	28	М26

Фланец приварной  встык для стальных сварных аппаратов.

 

Расчет цилиндрической обечайки аппарата согласно ГОСТ 52857.2-2007

Цилиндрическую обечайку аппарата, расчитывают на прочность согласно ГОСТ 52857.1-2007, ГОСТ 52857.1-2007. Согласно ГОСТ 52857.1-2007 находим методом линейной интерполяции допускаемое  напряжение для материала обечайки действующее на аппарат:

Температура испытания аппарата согласно ГОСТ 52857.1-2007:  t_и=20 °С

Материал аппарата – сталь  марки 12Х18Н10Т.

Условия эксплуатации аппарата имеют температурный интервал меньше 293 К следовательно свойства материала при испытании отличаться не будут.

Допускаемое напряжение  для 12Х18Н10Т , при темпертуре 20 (температура испытания, а также принятая рабочая температура аппарата согласно ГОСТ 52857.2 2007):

Пробное давление при испытании  внутри аппарата:

Согласно ГОСТ 8732-78 трубы  даметром больше 550 мм не изготавливают, то обечайку изготавливаем из горячекатанных листов сортамент которых регламентируется ГОСТ 19903-74.

Для того чтобы подобрать  толщину листа из сортамента, необходимо знать его длину и ширину. Длина  листа будет равна длине трубок т.е. 3000 мм, ширина листа необходимая для получения диаметра 600 мм находится из уравнения длины окужности:

Согласно ГОСТ 19903-74 по требованию потребителя листовой прокат может  изготавливаться других размеров. Исходя из этого примем лист стандартной шириной 3800 мм необходимо длиной 3000 мм и толщиной 5 мм, и рассчитаем на прочность согласно ГОСТ 52857.2-2007.

Толщина стeнки по сортаменту:          

 

Прочие данные необходимые  для расчета цилиндрической обечайки аппарата:

Прибавка на коррозию и  технологическое утонение материала:

Диаметр аппарата в миллиметрах:

Коэффициент прочности продольного  сварного шва:

Условие применимости формул согласно ГОСТ 52857.2-2007:

Находим расчетную толщину  стенки в условиях испытания:

Находим расчетную толщину стенки при рабочих условиях, и выбираем максимальное значение с целью учета всех нагрузок на аппарат:

Условие применимости выбраной в сортаменте толщины стенки согласно ГОСТ 52857.2-2007:

Находим допускаемое давление в условиях испытания согласно ГОСТ52857.2-2007:

Находим допускаемое давление в рабочих условиях и выбираем минимальное значение давления, которое  может выдержать аппарат:

Проверка на применимость обечайки к рабочему  давлению:

Проверка на применимость обечайки к  пробному давлению:

В результате расчета обечайки аппарата выяснилось, что при выбраной толщине стенки s=5 мм, обечайка теплообеменника выдержит рабочее давление до 3,1 МПа при рабочей температуре 20 С. в условиях испытания обечайка выдерживает давление до 2,1 МПа при температуре испытания 20 С. Толщина распределительной камеры аппарата можно принять такой же, так как условия применения стали практически не меняются.

Механический  расчет крышки и днища аппарата по ГОСТ 52857.2-2007

В процессе изготовления теплообменной  аппаратуры набольшее предпочтение отдают крышкам и днищам эллиптического исполнения, т.к. они просты в изготовлении по сравнению со сферическими, и  выдерживают давление внутри аппарата лучше чем плоские. Крышка  четырехходового вертикального теплообменника в отличие от днища имеет два отверстия под входной и выходной штуцера, а также две перегородки приваренные на равном расстоянии от центра. Чтобы упростить расчет аппарата на прочность изготовим его из того же материала что и обечайку, т.е. из стали 12Х18Н10Т, несмотря на свою дороговизну данная сталь является наиболее устойчивой к агрессивным средам и л менее подвержена термическим напряжениям по сравнению с остальными видами сталей. Допускаемое напряжение для стали будем брать при тех же условиях что и при расчете обечайки, объясняется это тем, что температура в межтрубном пространстве выше чем в трубном, это говорит о том что обечайка работает в более жестких условиях.

Данные для расчета:

Высота эллиптической части:

Давление при испытании: 

Высота цилиндрической части [1, стр. 440]: 

Расчет 

Расчет крышки и днища  аппарата производится согласно ГОСТ 52857.2-2007

Условие применимости формул:

Длина цилиндрической части  днища и крышки:

Радиус кривизны в вершине  крышки и  днища:

Расчетная рабочая толщина  стенки крышки и днища:

Расчетная толщина стенки крышки и днища при условиях испытания:

Находим расчетную толщину  стенки крышки и днища:

Допускаемое давление при  рабочих условиях:

Допускаемое давление при  условиях испытания:

В результате расчета днища  аппарата выяснилось, что при выбраной толщине стенки s=6 мм, крышка и днище теплообеменника выдержат рабочее давление до 2.1 МПа при рабочей температуре 20 С. в условиях испытания обечайка выдерживает давление до 2.1 МПа при температуре испытания 20 С.

Толщина плоской крышки Равна  толщине тарелки фланца для аппарата, также согласно сортаментом фланца определяются и ее размеры (диаметр, расположение отверстий, высота выступа и т.д.)

Расчет толщины  трубной решетки (согласно ГОСТ 52857.7-2007)

Для простоты сборки аппарата трубную решетку приварим к фланцу. Основным параметром влияющим на толщину  решетки является допускаемое напряжение на изгиб, так как решетка испытывает термические напряжения в следствии высокого перепада температур теплоносителей. Решетка рассчитывается на работу при тяжелых условиях, когда отключена подача холодного теплоностеля, а подача горячего остановить не удается, либо на это требуется большое количество времени.

Данные для расчета  трубной решетки:

Модуль упругости стали  по ГОСТ 52857.1-2007 :   

Момент инерции трубки:  

Расчетная толщина решетки, упрощенно считая что решетка подперта трубами, работающими на прдольный изгиб (худший случай), при k=4  если выполняется условие:

то толщина трубной решетки  считается следующим образом:

при испытании:

при рабочих условиях:  

 

Из найденных толщин выбираем максимальную толщину трубной решетки:

Сверяем расчетную толщину  решетки с сортаментом толщин по  ГОСТ19903-74, и находим истинную толщину трубной решетки (так  как толщина трубной решетки  не может быть менее12 мм):

Параметры трубной решетки:

Диаметр, мм:                    600

Толщина, мм:                    13

Шаг между трубками, мм:  32  

Толщины перегородок примем равными толщине обечайки поскольку они служат лишь для разделения потоков, и термические напряжения для них не опасны, как в случае с трубной решеткой.

 

Подбор опор для  аппарата.

Чтобы подобрать опоры  под аппарат, необходимо рассчитать вес аппарата.

Найдем массу аппарата:

Согласно ГОСТ 128821-80 фланцы имеют следующие массы:

Фланец с выступом для  соединения обечайки с крышками:

Фланец с впадиной для  соединения обечайки с крышками:

Фланец для штуцера  подачи азота:

Фланец  для штуцера отвода азота:

Фланец для штуцера  отвода рассола:

Фланец для штуцера  подачи рассола:

Суммарная масса фланцев:

Масса крышки и днища [1, стр. 440]:

Суммарная масса крышки и  днища:

Масса обечайки апарата:

Масса трубной решетки:

Масса одной трубной решетки:  

Суммарная масса трубных решеток:

Масса трубок:

масса одной трубки:

суммарная масса всех трубок:

Масса воды в полностью заполненном аппарате:

Масса аппарата:

Вес аппарата:

Число опорных лап примем равным 4, тогда нагрузка на одну лапу будет составлять:

Согласно сортаменту [1, стр 673] принимаем опоры с предельной силовой нагрузкой 40 кН.

 

P	L	L1	L2	B	B1	B2	b	b1	H	h	s	a	a1	a2	R	d	dб
кН	мм
40	170	190	160	185	125	135	40	105	285	24	10	30	50	50	18	35	24

 

 

Гидравлический  расчет

Расчет объемной производительности:

Расчет объемной производительности производится из уравнения объемного расхода:

в межтрубном пространстве:

В трубном пространстве:          

Гидравлическое сопротивление  в трубном пространстве:

Найдем относительную  шероховатость труб [2, стр. 12]:

Среднее значение шероховатости труб стальных цельнотянутых при незначительной коррозии:

Относительная шероховатость  труб:  

Коэффициент трения в шероховатых трубах рассчитывается по формуле:

Найдем сумму коэффициентов  местного сопротивления:

Входная и выходная камера:

Поворот жидкости на 180:    

Вход и выход из трубок: 

Расчет ведется согласно методике указанной в [2, стр. 55]

Суммарный коэффициент местного сопротивления:

Скоростное давление в  трубах:

Потеря давления на преодоление  трения в трубах:

Скоростное давление в  штуцерах: