Тепловой расчёт кожухотрубного горизонтального конденсатора

Тепловой расчёт кожухотрубного горизонтального конденсатора

 

Исходные данные

 

Таблица 1 – Исходные данные

Холодильный агент	R717
Холодопроизводительность машины Q0, кВт	60
Температура кипения t0, °C	-20
Температура конденсации tк, °C	+20
Температура воды на входе в конденсатор tВ1, °C	+12
Температура воды на выходе из конденсатора tВ2, °C	+15

 

Холодильная машина работает по нерегенеративному циклу, рисунок 1.

 

Рисунок 1 – Цикл холодильной машины

Таблица 2 – Параметры точек цикла

Точки	Параметры
Давление p, bar	Температура t, 0C	Удельный объем v, м3/кг	Энтальпия i, кДж/кг	Паросодержание x, кг/кг
1’	2,0	-20	0,600	1440	1
	2,0	-10	0,610	1460	--
	8,5	+90	0,200	1700	--
3’	8,5	+20	--	300	0
	8,5	+17	--	280	--
	2,0	-20	0,670	280	0,14

 

Выбор расчетного режима работы конденсатора

 

Тепловая нагрузка конденсатора, кВт

.

 

Индикаторная мощность компрессора, кВт

, , .

 

Масса хладагента, проходящего через компрессор, кг/с

.

 

Удельные массовая и объемная холодопроизводительности

, .

 

;

;

;

;

;.

 

Площадь поверхности конденсатора, м²

,

где - плотность теплового потока в конденсаторе, кВт/м²,

принимаем = 4,5 кВт/м²,

 

.

 

По теплопередающей поверхности выбираем прототип конденсатора, таблица 3

 

Таблица 3 – Конденсатор кожухотрубный аммиачный КТГ-25

Площадь поверхности Fк,м2	25
Диаметр D, мм	500
Длина L, мм	3430
Число труб nтр	144
Длина труб lтр, мм	3000
Число ходов z	4

Число труб в одном ходе , .

Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к охлаждающей воде

Теплофизические свойства воды определяют по ее средней температуре в конденсаторе .

 

Таблица 4 – Теплофизические свойства воды при температуре 13,5°C

Теплоемкость сp, кДж/(кг·К)	4,188
Коэффициент кинематической вязкости νв, м2/с	1,276∙10-6
Коэффициент теплопроводности lв, Вт/(м·К)	0,545
Число Прандтля Prв	8,6
Плотность воды ρ В, кг/м3	999,2

 

Рисунок 2 – Схема изменения температур сред в конденсаторе

 

Среднелогарифмическая разность температур в конденсаторе, К

 

,

 

.

Масса воды, необходимая для охлаждения конденсатора, кг/с

,

.

 

Объем воды, подаваемый на охлаждение конденсатора, м³/с

,

.

 

Скорость воды в трубах, м/с

,

где d_вн – внутренний диаметр трубы, м,

n – число труб в одном ходе,

 

.

 

Режим течения охлаждающей воды в трубах определяется числом Рейнольдса

,

.

2500<Re_в < 10000 – режим течения развитый переходный.

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается с помощью уравнения подобия. Для переходного режима:

,

– при малых перепадах температур θ_m в конденсаторе,

 

.

 

С другой стороны число Нуссельта определяется выражением

,

где a_в – коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воде.

 

Отсюда выражаем и рассчитываем коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей воде, Вт/(м² ∙ К)

,

.

 

 

Расчетное значение коэффициента теплопередачи

 

 

Требуемая площадь поверхности теплообмена конденсатора

 

,

Значение температуры стенки

 

,

 

Конструктивный расчет конденсатора

 

Расчет длин труб

Рассчитаем площадь поверхности:

,

Общая длина труб:

 

где F_к – расчетная площадь поверхности теплообмена м²,

d_н – наружный диаметр труб, м,

 

Длина одной трубы, м

,

где n_тр – число труб в аппарате,

принимаем l_тр = 2,5 м.

Диаметры патрубков

 

 

Диаметр патрубков для подвода и отвода охлаждающей воды:

 

,

 

где V_в – объем воды, подаваемый на охлаждение конденсатора, м³/с,

ω_в – скорость воды в патрубке,

 

принимаем d_в = 120×2 мм.

 

Диаметр патрубка входа хладагента в конденсатор:

 

,

 

где M·v₂ – объемный расход хладагента при P_к, м³/с,

ω_а – скорость пара хладагента в патрубке, принимаем ω_а = 20 м/с,

 

принимаем d_в = 32×2,5 мм.

Диаметр патрубка слива конденсата:

,

 

где M – массовый расход конденсата, кг/с,

где – скорость жидкого хладагента, стекающего самотеком, = 0,1÷0,5 м/с, гпринимаем = 0,5 м/с,

где – плотность жидкого хладагента, кг/м³,

 

принимаем d_a = 25×1,6 мм.

Обечайка кожуха

 

Листовая сталь, сварная, продольный сварной шов, стыковой двухсторонний выполнен ручной электродуговой сваркой.

Нормативное допускаемое напряжение для стали МСт 3 сп при температуре 20 ⁰С (ГОСТ 14249-73)

 

.

Допускаемое напряжение

 

,

 

где h = 0,9 – поправочный коэффициент для R717, учитывающий работу аппарата со взрыво- и пожароопасными продуктами.

 

 

Толщина обечайки кожуха

 

,

 

где P_p – расчетное давление в межтрубном пространстве, P_p = 2 МПа,

D_1вн – внутренний диаметр обечайки, D_1вн = 0,5 м,

j – коэффициент прочности сварочного шва, j = 0,9,

C – прибавка толщины, принимаем: C = 0,001 м,

 

принимаем стандартное значение S₁ = 0,008 м.

 

Условия применимости формулы для определения толщины S₁

 

, .

 

Условие выполнено.

 

Исполнительная толщина стенки

 

где E = 1,99 ∙ 10⁵ МПа – модуль продольной упругости для углеродистой стали,

l = 2,5 м – длина труб,

Р_мтр – давление в межтрубном пространстве, Р_мтр = 0,1 МПа,

C – прибавка толщины, принимаем C = 0,001 м,

 

 

принимаем стандартное значение: .

 

Условия применимости формулы для определения толщины

 

,

 

,

 

.

 

Условие выполнено.

 

 

Обечайка маслоотстойника

 

Обечайка изготавливается из бесшовной трубы размерами 245×8 мм. Материал – сталь 10.

 

Расчетная толщина стенки

 

,

где P_р = 2 МПа,

D = 0,245 м,

φ = 1 (труба бесшовная),

принимаем стандартное значение S₃ = 0,008 м.

 

Трубная доска

 

Толщина доски

 

,

 

где l – 1,25· S – характерный размер, м; .

Р_р – расчетное давление на трубную доску, МПа,

d₀ – диаметр отверстия в трубной доске, м, d₀ = (1,025…1,03)· d_н,

σ_и – допускаемое напряжение на изгиб. Для стали МСт 5сп σ_и = 180 МПа.

 

Толщина трубной доски при вальцовке (стальные трубы)

 

,

,

Принимаем δ = 0,010 м.

 

 

Расчётный диаметр болтов

,

где - диаметр болтовой окружности,

- наружный диаметр кольцевого шва в месте приварки плоского фланца к эллиптическому днищу.

 

Расчётное число болтов, исходя из рекомендуемого расстояния между центрами болтов

где t=(3,8…4,6)d_б=4,1 0,024=0,0984.

Размещение труб в аппарате

 

Число труб в одном ходе

 

,

Расстояния между осями труб, мм

 

,

 

 

Число труб, считая от центра, при размещении по шестиугольникам

 

,

 

Количество труб на большой диагонали

 

,

 

 

Общее число труб при расположении в пределах шестиугольника

 

,

 

Внутренний диаметр обечайки (кожуха)

 

,

принимаем .

Расчет длин труб

 

Общая длина труб, м

 

,

 

где F – расчетная площадь поверхности теплообмена (из теплового расчета), м²,

d_н – наружный диаметр труб, м,

 

Длина одной трубы, м

 

,

 

где n_тр – число труб в аппарате,

принимаем l_тр = 1 м.

 

 

Диаметры патрубков

 

Диаметр патрубков для подвода и отвода рассола, м

 

,

 

где V_S – объем рассола, подаваемый в испаритель, м³/с,

ω_S – скорость рассола в патрубке, ω_S = 2 м/с,

 

принимаем d_s = 108×4 мм.

 

Диаметр патрубка отвода пара из испарителя

,

 

где M·v₁ – объемный расход хладагента при P₀, м³/с,

ω_а – скорость пара хладагента в патрубке, принимаем: ω_а = 10 м/с,

 

принимаем d_a = 57×3,5 мм.

 

Диаметр патрубка подвода жидкого хладагента

 

,

 

где M – массовый расход хладагента, кг/с,

где – скорость жидкого хладагента, стекающего самотеком, = 0,1÷0,5 м/с, принимаем = 0,5 м/с,

где – плотность жидкого хладагента, кг/м³,

 

принимаем = 25×1,6 мм.

 

Обечайка кожуха

 

Листовая сталь, сварная, продольный сварной шов, стыковой двухсторонний выполнен ручной электродуговой сваркой.

Нормативное допускаемое напряжение для стали МСт 3 сп при температуре 20 ⁰С (ГОСТ 14249-73)

 

.

Допускаемое напряжение

 

,

 

где h = 0,9 – поправочный коэффициент для R717, учитывающий работу аппарата со взрыво- и пожароопасными продуктами.

 

 

Толщина обечайки кожуха

 

,

 

где P_p – расчетное давление в межтрубном пространстве, P_p = 1,6 МПа,

D_1вн – внутренний диаметр обечайки, D_1вн = 0,6 м,

j – коэффициент прочности сварочного шва, j = 0,9,

C – прибавка толщины, принимаем: C = 0,001 м,

 

принимаем стандартное значение S₁ = 0,006 м.

 

Условия применимости формулы для определения толщины S₁

 

, .

 

Условие выполнено.

 

Исполнительная толщина стенки

 

где E = 1,99 ∙ 10⁵ МПа – модуль продольной упругости для углеродистой стали,

l = 4 м – длина труб,

Р_мтр – давление в межтрубном пространстве, Р_мтр = 0,1 МПа,

C – прибавка толщины, принимаем C = 0,001 м,

 

принимаем стандартное значение .

 

Условия применимости формулы для определения толщины

 

,

 

,

 

.

 

Условие выполнено.

 

 

Обечайка сухопарника

 

Материал - бесшовная труба из стали 10, размер - 325´10 мм.

Расчетная толщина стенки сухопарника

 

,

 

где P_р = 1,6 МПа,

D = 0,325 м,

φ = 1 (труба бесшовная),

принимаем стандартное значение S₂ = 0,006 м.

 

Обечайка маслоотстойника

 

Обечайка изготавливается из бесшовной трубы размерами 245×8 мм. Материал – сталь 10.

 

Расчетная толщина стенки

 

,

где P_р = 1,6 МПа,

D = 0,325 м,

φ = 1 (труба бесшовная),

 

принимаем стандартное значение S₃ = 0,006 м.

 

 

Трубная доска

 

Толщина доски

 

,

 

где l – 1,25· S – характерный размер, м;

Р_р – расчетное давление на трубную доску, МПа,

d₀ – диаметр отверстия в трубной доске, м, d₀ = (1,025…1,03)· d_н,

 

 

Толщина трубной доски при вальцовке (стальные трубы)

 

,

 

,

 

принимаем: δ = 0,010 м.

 

Расчётный диаметр болтов

,

где - диаметр болтовой окружности,

- наружный диаметр кольцевого шва в месте приварки плоского фланца к эллиптическому днищу.

 

Расчётное число болтов, исходя из рекомендуемого расстояния между центрами болтов

где t=(3,8…4,6)d_б=4,1 0,024=0,0984.

 

Тепловой расчёт кожухотрубного горизонтального конденсатора

 

Исходные данные

 

Таблица 1 – Исходные данные

Холодильный агент	R717
Холодопроизводительность машины Q0, кВт	60
Температура кипения t0, °C	-20
Температура конденсации tк, °C	+20
Температура воды на входе в конденсатор tВ1, °C	+12
Температура воды на выходе из конденсатора tВ2, °C	+15

 

Холодильная машина работает по нерегенеративному циклу, рисунок 1.

 

Рисунок 1 – Цикл холодильной машины

Таблица 2 – Параметры точек цикла

Точки	Параметры
Давление p, bar	Температура t, 0C	Удельный объем v, м3/кг	Энтальпия i, кДж/кг	Паросодержание x, кг/кг
1’	2,0	-20	0,600	1440	1
	2,0	-10	0,610	1460	--
	8,5	+90	0,200	1700	--
3’	8,5	+20	--	300	0
	8,5	+17	--	280	--
	2,0	-20	0,670	280	0,14