Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Машины и аппараты химических производств: Учебное пособие. Часть I

Голосов: 3

В учебном пособии описаны основные разделы, включенные в программу дисциплины "Машины и аппараты химических производств": теплообменные аппараты, массообменные аппараты и аппараты для сушки материалов. Учебное пособие подготовлено на кафедре общей химической технологии Томского политехнического университета и предназначено для студентов специальности 170500 - "Машины и аппараты химических производств" Института дистанционного образования ТПУ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    давлениях до 0,6 МПа. Прочность и герметичность возрастает при разваль-
цовке в отверстиях с одной или двумя канавками глубиной около 0,5 мм.
Трубы развальцовывают на глубину 1,5 d т . Если толщина решетки меньше
1,5 d т , то трубы развальцовывают на полную толщину решетки. В толстых
решетках трубу развальцовывают двумя поясками: один – шириной 1,5 d т со
стороны распределительной камеры, другой – шириной 0,75 d т со стороны
межтрубного пространства.
     Крепление труб сваркой с развальцовкой применяют без ограничений
давления и температуры теплоносителей. В этом случае сначала выполняют
сварку, а затем развальцовку.
     Перегородки.
     В кожухотрубчатых ТА устанавливают поперечные и продольные пере-
городки. Поперечные перегородки, размещаемые в межтрубном пространст-
ве теплообменника, предназначены для движения теплоносителя перпенди-
кулярно оси труб и увеличения скорости теплоносителя.
     Поперечные перегородки, устанавливаемые в испарителях и конденса-
торах, в основном выполняют роль опор трубного пучка, фиксируя трубы на
заданном расстоянии и уменьшая их вибрацию. Вибрация труб может вы-
звать их повреждение, если по межтрубному пространству с большей скоро-
стью идет газ. Вязкие же жидкости хорошо демпфируют колебания труб.
     Известны несколько конструкций поперечных перегородок с сегмент-
ными (рис. 1.16, а), секторными (рис. 1.16, б) и щелевыми (рис. 1.16, в) выре-
зами, с чередованием дисков и колец (рис. 1.16, г).




                 Рис. 1.16. Варианты поперечных перегородок


    21


     Наиболее широко применяются сегментные перегородки. Высота выре-
заемого сегмента равна примерно 1/3 диаметра аппарата, а расстояние между
перегородками – около 0,5 диаметра.
     Аппараты со сплошными перегородками используются обычно для чис-
тых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору
около 1,5 мм между трубой и перегородкой (рис. 1.16, д). В зазорах поток
сильно турбулизируется, что приводит к увеличению коэффициента теплоот-
дачи на наружной поверхности труб. В межтрубном пространстве в ряде слу-
чаев устанавливают продольные перегородки (в ТА типа У в двухходовом по
межтрубному пространству). Толщина продольных перегородок трубного
пучка, распределительных камер и крышек должна быть не менее 6 мм.

                                                     4 5           3        4
                                2 5                        6
                                                 3                  87
         1 2 3 4            1         6                        2   9 6          5
                                3 4              2         7       1011
                                                     1 8           1    12



            а)                   б)                  в)                г)
     Рис. 1.17. Продольные перегородки в многоходовых теплообменниках

     В крышках двух-, четырех- и шестиходовых теплообменников ходы мо-
гут разделяться параллельными перегородками (рис. 1.17 а, б). На рис. 1.17
сплошными линиями показаны перегородки в передней крышке, а штрихо-
выми – в задней крышке. Цифрами обозначена последовательность ходов. В
аппаратах с четырьмя и более ходами применяют разбивку труб по секторам
(рис. 1.17, в) или более сложные, комбинированные методы установки пере-
городок (рис. 1.17, г). При разбивке труб стремятся достичь их приблизи-
тельного равенства в каждом ходу.
     Отбойники. При входе среды в межтрубное пространство теплообмен-
ника часто ставят отбойник, который защищает от местного износа трубы,
расположенные против входного штуцера. Отбойник выполняется в виде
круглой или прямоугольной пластины. Размер его должен быть не менее
внутреннего диаметра штуцера D1 . Обычно его принимают на 10–20 мм
больше, т.е. D D1 (10 20) мм. Отбойник не должен создавать излишнее
гидравлическое сопротивление, поэтому расстояние от внутренней поверх-
ности корпуса до отбойника должно быть более 0,2 D1 . Отбойник привари-
вают к дистанционным тягам или крепят хомутами к трубам. Приваривать
отбойник к трубам не рекомендуется из-за опасности прожога стенки трубы.
Расстояние от отбойника до первой перегородки должно быть не менее
100 мм для обеспечения беспрепятственного распределения входящего пото-
ка среды.

    22


        1.5. Расчет теплообменных кожухотрубчатых аппаратов

     Различают два вида расчетов теплообменников: проектный и повероч-
ный. Проектный расчет выполняется при проектировании ТА, когда заданы
расходы теплоносителей и их параметры. Его цель – определение поверхно-
сти теплообмена и конструктивных размеров выбранного аппарата.
     Проектный расчет включает тепловой, конструктивный, гидравличе-
ский, механический и технико-экономический расчет.
     Поверочный расчет устанавливает возможность использования имею-
щиеся теплообменники для заданного процесса и определяет условия, обес-
печивающие оптимальный режим работы.

              1.5.1. Конструктивный расчет теплообменника

    Для кожухотрубчатых теплообменников важным элементом является
расчет проточной части трубного пространства. Исходя из заданной произ-
водительности аппарата и скорости движения жидкости, по уравнению рас-
хода определяют площадь проходного сечения трубок одного хода f1 :
                                     G
                                f1     ,                             (1.4)
                                     w
где    G – расход жидкости, кг/с;
        – плотность жидкости, кг/м3;
       w – скорость движения жидкости внутри трубок, м/с.
       Отсюда число трубок одного хода:
                                         f1
                                n1               ,                   (1.5)
                                             2
                                     0,785 d в
где    d в – внутренний диаметр трубки, м.
      Расчетная длина одной трубки при одном ходе:
                                      F
                                L           ,                        (1.6)
                                     d р n1
где    d р – расчетный диаметр трубки, определяемый в зависимости от соот-
ношения коэффициентов теплоотдачи в трубном и межтрубном пространст-
ве 1 и 2 , соответственно: при 1 ≈ 2          d р 0,5(d в d н ) ;
                           при 1 » 2          dр dв ;
                           при 1 « 2          dр dн .
      Число ходов трубного пространства:



      23


                                      L
                                 Z      ,                           (1.7)
                                      l
где l – рабочая длина труб, которую рекомендуется принимать не более 4 м.
    В ТА рекомендуется принимать l =1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000,
9000 м. В многоходовых аппаратах выбирается четное число ходов. Общее
число трубок, размещаемое на трубной решетке: n Zn1. Трубы чаще всего
размещают по периметрам правильных шестиугольников. Для этого случая
при подсчете общего количества труб n исходят из числа труб а, располо-
женных на стороне наибольшего шестиугольника:
                                 n 3a(a 1) 1.                       (1.8)
    Число труб b , расположенных по диагонали наибольшего шестиуголь-
ника, находят по формуле:
                                 b 2a 1.                            (1.9)
      Диаметр теплообменника находят из соотношения:
 для одноходового          Dвн   t (b 1)       dн ,                (1.10)
где    t 1,2d н    2
                                      n
 для многоходового         Dвн 1,1t        ,                       (1.11)

где     = 0,6–0,8 – коэффициент заполнения трубной решетки.
    Расчетное значение диаметра корпуса округляют до ближайшего стан-
дартного размера.
    Общая высота кожухотрубчатого теплообменника равна сумме длины
труб и высоты двух распределительных камер:
                                       H       l      2h,          (1.12)
где    h = 200–400 мм – высота распределительной камеры.

                  1.5.2. Механический расчет теплообменников

    Механический расчет ТА предусматривает проверку на прочность от-
дельных его узлов: корпуса, днища, трубных решеток, фланцевых соедине-
ний, болтов. Расчет на прочность элементов кожухотрубчатых аппаратов
проводят в соответствии с ОСТ 26.1185–81 (Сосуды и аппараты. Нормы и
методы расчета на прочность. Элементы теплообменных аппаратов). При
проектировании ТА следует учитывать все сочетания давлений в трубном и
межтрубном пространстве и температур труб и кожуха при пуске, в рабочих
условиях, при промывке или испытании с целью определения экстремальных
значений расчетных характеристик для каждого из элементов аппарата.

      24


              1.5.2.1. Определение температурных напряжений
                              в трубах и корпусе

     При определении температурных напряжений предполагают, что ре-
шетки теплообменника не деформируются и поэтому температурные усилия
распределяются равномерно на все трубы. В общем случае трубы и корпус
теплообменника могут быть выполнены из различных материалов.
    Введем обозначения:
    l – длина труб или корпуса, м;
       т , к – температурные коэффициенты линейного расширения труб и
корпуса, К-1;
     E т , Ек – модули упругости материала труб и кожуха, МПа;
     Fт , Fк – площади поперечного сечения всех труб и корпуса, м2;
    t т , t к – температуры труб и кожуха, К.
                                     1     2



                                                       д


                                                      дк дФ




          Рис. 1.18. Схема температурных деформаций труб
                       и корпуса теплообменника

                                                                       Рас-
смотрим случай, когда t т > t к и т > к . Тогда, если трубы 2 и корпус 1 не
связаны, трубы удлиняются больше, чем корпус на величину              (рис.
1.18). Эта величина обусловлена как разностью коэффициентов линейного
расширения при нагреве труб и корпуса до температуры корпуса
l( т     к )tк , так и дальнейшим нагревом труб до температуры труб, т.е.
l т (t т tк ) .
    Следовательно,     l( т     к )tк       т (t т   tк ) , отсюда
                           l   тtт       к tк .                      (1.13)
    Однако в действительности, трубы и корпус связаны между собой, по-
этому трубы не могут свободно удлиняться, и конструкция займет положение


    25


Ш. Корпус окажется растянутым на величину к , а трубы – сжатыми на ве-
личину т , причем

                                                         т          к.               (1.14)
    Очевидно, что усилие сжатия труб Qт равно усилию растяжения корпу-
са Qк и в рассматриваемом случае каждое из этих усилий равно температур-
ному усилию Qt в конструкции:
                                          Qт        Qк       Qt .
      По закону Гука:
                                         Qt l                          Qt l
                                 т             ;              к             .        (1.15)
                                        E т Fт                        Eк Fк
    Подставляем выражения деформаций из формулы (1.13) и (1.15) в фор-
мулу (1.14), из которой находим:
                                        ( тtт        к t к ) E т Fт Eк Fк .
                               Qt                                                    (1.16)
                                                E т Fт Eк Fк
      Температурные напряжения в трубах и корпусе:
                               Qt    ( тtт     к t к ) E т Eк Fк ,
                           т                                                         (1.17)
                               Fт        E т Fт Eк Fк
                               Qt    ( тtт     к t к ) E т Eк Fт .
                           к                                                         (1.18)
                               Fк        E т Fт Eк Fк
Из этих уравнений следует, что температурные усилия и напряжения не за-
висят от длины теплообменника.
    Иногда при различных температурных коэффициентах линейного рас-
ширения т и к учитывают температуру, при которой изготовлен тепло-
обменник t и =20 0С. В этих случаях в формулы (1.16) – (1.18) вместо разности
( тtт          к tк ) вводят разность      т (t т    tи )           к (tк   tи ) .
      В случае, когда трубы и корпус выполнены из одинакового материала
( т        к       ; Eт   Eк   E ) и tт     tк        t , получим:
                                 tEFк                                    tEFт
                           т                ;                  к              .      (1.19)
                               Fт Fк                                   Fт Fк
    Из равенств (1.19) следует, что температурные напряжения в трубах и
корпусе обратно пропорциональны площадям поперечного сечения труб и
корпуса, т.е.


      26


                                    т   Fк
                                           .                                  (1.20)
                                    к   Fт
    Как правило, в теплообменниках жесткой конструкции температурные
напряжения в трубах превышают напряжения от внутреннего давления и яв-
ляются обычно определяющими в расчетах на прочность и устойчивость
труб и трубных решеток, а также в расчетах на прочность соединения труб с
трубной решеткой.
    Рассмотрим температурные усилия в теплообменнике жесткого типа, на
корпусе которого установлен компенсатор (рис. 1.19).
    Деформация компенсатора, состоящего из z линз, пропорциональна на-
грузке на компенсатор, которая равна Qк Qt , т.е.
                                  mQк    mQt
                              л              ,                                (1.21)
                                   E      E
где        л – деформация компенсатора, м;
      E – модуль продольной упругости материала компенсатора, МПа;
      m – параметр компенсатора, характеризующий его податливость:
                                         2
                            0,06 1 (1 ) D1
                      m z                  ,
                                      3
                                    s
где     – отношение внутреннего диаметра линзы Dк к наружному диамет-
ру D2 ;
        1 – коэффициент, определяемый в зависимости от  (табличные зна-
чения);
      s – толщина стенки линзы компенсатора, м.




           Рис. 1.19. Схема к расчету температурных усилий в теплообменнике
                                     с компенсатором



      27


     Пусть корпус и трубы теплообменника выполнены из материала с оди-
наковым коэффициентом теплового расширения , и разность температур
труб и корпуса равна t . Тогда, если трубы не связаны с корпусом, они уд-
линяются на величину . Как видно из рис. 1.19, деформация         tl состо-
ит из деформации сжатия труб т , удлинения металла корпуса к , расшире-
ния компенсатора л :

                                            т     к          л.                                 (1.22)
    Учитывая, что усилия Qт Qк Qt и подставляя в равенство (1.22) зна-
чения т и к , выраженные по закону Гука, а также л по формуле (1.21),
получим:
                             Qt l        Qt l         mQt
                                                                     tl .
                             EFт         EFк           E
      Отсюда сила, действующая на трубы и корпус:
                                                      tlE
                                    Qt                      .                                   (1.23)
                                             l         l
                                                          m
                                            Fт        Fк
    Если корпус, трубы и компенсатор изготовлены из материалов с различ-
ными значениями     и E , а температура, при которой изготовлен теплооб-
менник, равна t и :
                 Qt l     Qt l      mQt
                                                    т (t т    tи )          к (t к   tи ) l .
                E т Fт   Eк Fк      Eл
Отсюда

                   Qt      т (t т    tи )        к (tк    tи ) l
                                                                 ,                              (1.24)
                               l              l          m
                             Eт Fт          Eк Fк        Eл
где   E л – модуль продольной упругости металла компенсатора.
    Если заранее известно, что при эксплуатации аппарата компенсатор ра-
ботает только на растяжение (t т tк ), тогда при изготовлении его следует
сжать на величину / 2 . Если при эксплуатации компенсатор постоянно
сжат, то при изготовлении аппарата его следует растянуть на величину / 2 .

           1.5.2.2. Определение деформаций под действием давления

    В общем случае для определения деформаций необходимо учитывать
одновременное действие давлений Pк и Pт (рис. 1.20). Давление в корпусе


      28


теплообменника Pк стремится выпучить трубные решетки наружу, а давле-
ние в трубах Pт – внутрь. Трубы удерживают трубные решетки и от




                Рис. 1.20. Схема к расчету усилий в трубах


давления Pк подвергаются растяжению. При действии давления Pт все тру-
бы также работают на растяжение. При незначительном прогибе трубных
решеток под действием давления Pт трубы, расположенные в центральной
части трубной решетки, могут оказаться сжатыми.
     Растягивающее трубы и компенсатор осевое усилие Q от давлений в
трубном и межтрубном пространствах является результирующим:
     – от давления Pт на крышку теплообменника Q1 ;
     – от давления на трубную решетку со стороны трубного пространства
Q2 ;
     – распорной силы от давления Pк со стороны межтрубного пространст-
ва на трубную решетку Q3 ;
     – на стенку линзы компенсатора Q4 , т.е.
                        Q Q1 Q2              Q3   Q4 ,           (1.25)

                                          D2
 где                          Q1       Pт    ;                   (1.26)
                                          4

                        Q2   Pт       (D2       2
                                              ndв ) ;            (1.27)
                                  4

                        Q3   Pк       (D2       2
                                              ndн ) ;            (1.28)
                                  4
                                         2
                        Q4   Pк       ( Dк    D2 ) ,             (1.29)
                                  4


       29


где    d в – внутренний диаметр трубы, м;
       Dк – диаметр линзы компенсатора, м;
       n – число труб;
       Q – осевое усилие от давлений в трубном и межтрубном пространстве,
МПа.
     Подставляя выражения нагрузок из формул (1.26)-(1.29) в формулу
(1.25), получим:
                                              2     2            2
                             Q    Pк       ( Dк   ndн )   Pт n d в .              (1.30)
                                       4                      4
    Нетрудно видеть, что для теплообменника без компенсатора, осевое
усилие, растягивающее трубы и корпус, будет равно:

                             Q    Pк       (D2      2
                                                  ndн )          2
                                                          Pт n d в .              (1.31)
                                       4                      4


                  1.5.2.3. Расчет развальцовочного соединения

    При расчете развальцовочного соединения проводят проверку труб на
вырывание (рис. 1. 21). Если давление в трубах Pт незначительно по сравне-
нию с давлением в корпусе Pк , можно считать, что воспринимаемая трубой
                           нагрузка q от давления на площадь f трубной
                        f решетки, заключенной между четырьмя трубами,
                           определится как q Pк f .
                               При расположении труб по вершинам пра-
                           вильных треугольников:
                                                                            2
                                                                    2     dн
                                                      f   0,866 t             .
                                                                          4
                                     В общем случае необходимо учитывать дей-
                                 ствие давлений Pк и Pт . Если не учитывать, что
                                 часть осевой нагрузки от давления воспринимает
                       t
                                 корпус, и считать, что вся нагрузка приходится на
                                 трубы, то усилие на одну трубу при условии рав-
Рис. 1.21. Схема к расчету       номерного распределения нагрузки на трубы:
       развальцовочного
                                                                    Q
       соединения                                           q         .
                                                                    n
    Кроме давления, на трубы действуют температурные усилия. Так, если
трубы нагреты больше, чем корпус, то в них возникают сжимающие напря-


      30



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика