Подбор и расчет теплообменной установки, предназначенной для использования в производстве крепленого вина (стр. 3 из 4)
Таблица № 3
Свойства индивидуальных веществ при температурах стенки tст1 и tст2
| Свойство | Креплёное вино | Вода |
Средняя температура,  | 28 | 19 |
Плотность,  | 1017 | 998 |
Теплоёмкость,  | 3730 | 4180 |
Вязкость,  | 1,8  10-3 | 1,0 10-3 |
Теплопроводность,  | 0,410 | 0,599 |
Критерий Прандтля для горячего потока (креплёного вина):
; (24) 
.Критерий Прандтля для холодного потока (воды):
; (25) 
.Вычислим значение скобок в формулах (13) и (19).
Для горячего потока:
.Для холодного потока:
.Определение расчётной поверхности теплопередачи и её запаса
Определим расчётную поверхность теплопередачи
; (26) 
.Теперь определим запас поверхности теплопередачи
; (27) 
.5. Гидравлический расчет
Выбор диаметра штуцеров для трубного и межтрубного пространств
Для расчета диаметров штуцеров необходимо принять значение допустимой скорости в штуцерах, которая зависит от того, является трубопровод напорным или самотечным. Уходящий с верха колонны пар конденсируется и самотеком поступает в емкость. Из этой емкости жидкость насосом по одному трубопроводу направляется на верх колонны для создания орошения, а по второму (нашему) прокачивается через холодильник и далее на склад. Таким образом, скорость во всех штуцерах берем как для напорных трубопроводов wдоп = 1,5 м/с.
Диаметр штуцеров для трубного пространства
; (28) 
.Диаметр штуцеров для межтрубного пространства
; (29) 
.По ГОСТу выбираем стандартный условный диаметр
: 
; 
; 
.Перед проведением гидравлического расчёта уточняем скорость потока в штуцере.
Скорость потока для трубного пространства
; (30) 
.Скорость потока для межтрубного пространства
; (31) 
.Определим коэффициент трения
для шероховатых труб: 
; (32) 
.Отсюда получаем:
Вычислим гидравлическое сопротивление трубного пространства.
Под термином «гидравлическое сопротивление» принято понимать величину разности статических давлений на входе потока в рассматриваемый аппарат и на выходе из него в зависимости от средней скорости потока, свойств веществ потока, геометрических размеров и конфигурации аппарата, через который протекает поток.
; (33) 
.Вычислим гидравлическое сопротивление межтрубного пространства:
; (34) 
6. Элементы механического расчета
Расчет толщины кожуха
Главным составным элементом корпуса большинства химических аппаратов является кожух (обечайка). Наибольшее распространение получили цилиндрические кожухи, которые отличаются простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью.
Цилиндрические кожухи из стали при избыточном давлении среды в аппарате р следует рассчитывать по формуле:
δ = D ∙ p / (2 ∙ σд ∙ φ) + Ск + Сокр ,
где D – внутренний диаметр кожуха, м;
σд – допускаемое напряжение на растяжение для материала кожуха, МН/м2 (σд = 140 МН/м2).
Коэффициент φ учитывает ослабление кожуха из-за сварного шва и наличия неукрепленных отверстий, φ = φш = 0,95.
Прибавка толщины с учетом коррозии Ск определяется формулой: Ск = П∙τа ,
П = 0,1 мм/год; τа = 10 лет, а суммарное значение толщины округляется до ближайшего нормализованного значения добавлением Сокр.
Cк = П . τа = 0,1 . 10 = 0,001 м.
Границей применимости формулы для расчета кожуха является условие:
(δ - Ск) / D ≤ 0,1.
Толщина кожуха с учетом запаса на коррозию и округления равна:
δ = 0,8 ∙ 0,392 / (2 ∙ 140 ∙ 0,95) + 0,001 = 0,0022 м = 2,2 мм.
Условие (0,0022 - 0,001) / 1 < 0,1 выполняется.
На основании данных практического использования кожухотрубчатых теплообменных аппаратов принимаем толщину стенки кожуха равной 4мм.=0,004м.
Допускаемое избыточное давление в обечайке можно определить из формулы:
рд = 2 ∙ σд ∙ φ ∙ (δ - Ск ) / (D + (δ - Ск )) =
= 2 ∙ 140 ∙ 0,95 ∙ (0,0022 - 0,001) / (0,8 + (0,0022 - 0,001))= 0,39 МПа.
Расчет толщины днища
Составным элементами корпусов химических аппаратов являются днища, которые обычно изготавливаются из того же материала, что и кожуха, и привариваются к ней. Днище неразъемно ограничивает корпус горизонтального аппарата с боков. Форма днища может быть эллиптической, сферической, конической и плоской. Наиболее рациональной формой днищ для цилиндрических аппаратов является эллиптическая. Днища такой формы изготавливаются из листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным давлением до 10 МПа. Толщину стандартных эллиптических днищ, работающих под внутренним избыточным давлением р, рассчитывают по формуле, которая справедлива при условии: (δ - Ск) / D ≤ 0,125.
Примем, что днище у аппарата стандартное отбортованное эллиптическое сварное и в нем нет неукрепленных отверстий.
Примем φ = φш = 0,95.
Толщина днища:
δ = D ∙ p / (2 ∙ σд ∙ φ) + Ск + Сокр = 0,8∙ 0,3924 / (2 ∙ 140 ∙ 0,95) + 0,001= 0,0022 м = 2,2 мм.
Требуемое условие (0,0022 - 0,001) / 1 < 0,125 выполняется. Исходя из условия, по которому толщина стенки полусферического днища должна быть не меньше толщины стенки кожуха принимаем толщину стенки днища равной 5мм.=0,005м.
Расчет фланцевых соединений
Подсоединение трубопроводов к сосудам и аппаратам осуществляется с помощью вводных труб или штуцеров. Штуцерные соединения могут быть разъемными и неразъемными. Наиболее употребительны разъемные соединения с помощью фланцевых штуцеров. Стальные фланцевые штуцера представляют собой короткие куски труб с приваренными к ним фланцами либо с фланцами, удерживающимися на отбортовке, либо с фланцами, откованными заодно со штуцером. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров могут быть тонко- или толстостенными. Штуцера не рассчитывают на прочность, а выбирают. Типы штуцеров определены действующими стандартами, сводную таблицу которых можно найти в справочнике.
По назначению все фланцевые соединения в химическом аппаратостроении подразделяются на фланцы для трубной арматуры и труб и фланцы для аппаратов. Фланцевое соединение состоит из двух симметрично расположенных фланцев, уплотнительного устройства и крепежных элементов.
Конструкцию фланцевого соединения принимают в зависимости от рабочих параметров аппарата: при р ≤ 2,5 МПа и t ≤ 300˚С применяют плоские приварные фланцы (рис. 6.2).