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 ρВ, 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 dвн – внутренний диаметр трубы, м,
n – число труб в одном ходе,
.
Режим течения охлаждающей воды в трубах определяется числом Рейнольдса
,
.
2500<Reв < 10000 – режим течения развитый переходный.
Коэффициент теплоотдачи рассчитывается с помощью уравнения подобия. Для переходного режима:
,
– при малых перепадах температур θm в конденсаторе,
.
С другой стороны число Нуссельта определяется выражением
,
где aв – 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 Fк – расчетная площадь поверхности теплообмена м2,
dн – наружный диаметр труб, м,
Длина одной трубы, м
,
где nтр – число труб в аппарате,
принимаем lтр = 2,5 м.
Диаметры патрубков
Диаметр патрубков для подвода и отвода охлаждающей воды:
,
где Vв – объем воды, подаваемый на охлаждение конденсатора, м3/с,
ωв – скорость воды в патрубке,
принимаем dв = 120×2 мм.
Диаметр патрубка входа хладагента в конденсатор:
,
где M·v2 – объемный расход хладагента при Pк, м3/с,
ωа – скорость пара хладагента в патрубке, принимаем ωа = 20 м/с,
принимаем dв = 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 da = 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 Pp – расчетное давление в межтрубном пространстве, Pp = 2 МПа,
D1вн – внутренний диаметр обечайки, D1вн = 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,
Рмтр – давление в межтрубном пространстве, Рмтр = 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 Pр = 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; .
Рр – расчетное давление на трубную доску, МПа,
d0 – диаметр отверстия в трубной доске, м, d0 = (1,025…1,03)·dн,
σи – допускаемое напряжение на изгиб. Для стали МСт 5сп σи = 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)dб=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,
dн – наружный диаметр труб, м,
Длина одной трубы, м
,
где nтр – число труб в аппарате,
принимаем lтр = 1 м.
Диаметры патрубков
Диаметр патрубков для подвода и отвода рассола, м
,
где VS – объем рассола, подаваемый в испаритель, м3/с,
ωS – скорость рассола в патрубке, ωS = 2 м/с,
принимаем ds = 108×4 мм.
Диаметр патрубка отвода пара из испарителя
,
где M·v1 – объемный расход хладагента при P0, м3/с,
ωа – скорость пара хладагента в патрубке, принимаем: ωа = 10 м/с,
принимаем da = 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 Pp – расчетное давление в межтрубном пространстве, Pp = 1,6 МПа,
D1вн – внутренний диаметр обечайки, D1вн = 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,
Рмтр – давление в межтрубном пространстве, Рмтр = 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 Pр = 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 Pр = 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 ;
Рр – расчетное давление на трубную доску, МПа,
d0 – диаметр отверстия в трубной доске, м, d0 = (1,025…1,03)·dн,
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)dб=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 | |