Расчет аппарата воздушного охлаждения Последовательность расчета (стр. 3 из 6)

K_р1

, (26)

q₁ =

. (27)

Уточненное значение температуры стенки:

t_ст =

. (28)

В результате подстановки значений получаем систему уравнений:

(29)

Полученную систему решаем методом последовательных итераций. Для этого предварительно задаемся значением t_ст = 143^оС. Тогда

Вт/(м^2.К),

q₁ =

Вт/м²,

t_ст =

^оС.

Результаты последующих приближений сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Приближение	tст, оС	α1, Вт/(м2.К),	q1, Вт/м2	tст уточненный, оС
1	143	2766,01	3,85	143,9987
2	143,9987	14323,29	3,24	143,9998
3	143,9998	22558,92	3,18	143,9999
4	143,9999	25376,87	3,17	143,9999

Принимаем α₁ = 25376,87 Вт/(м^2.К), тогда по формуле (26)

K_р1

Вт/(м^2.К).

Площадь теплопередачи зоны конденсации:

, (30)

м^2.

Далее определяем коэффициент теплоотдачи для зоны охлаждения.

Средний объемный расход потока:

, (31)

м³/с.

Средняя скорость теплоносителя в трубах двухходового теплообменника:

, (32)

м/с.

Критерий Рейнольдса:

, (33)

.

Критерий Прандтля:

, (34)

.

Режим течения уксусной кислоты турбулентный (Re > 10000), тогда критерий Нуссельта [4, с. 77]:

, (35)

.

Откуда коэффициент теплоотдачи:

Вт/(м^2.К).

Коэффициент теплопередачи по формуле (35):

K_р1

Вт/(м^2.К).

Площадь теплопередачи зоны охлаждения по формуле (26):

м^2.

Общая площадь теплообмена:

F_р = 693,6 + 1327,5 = 2021,1 м².

Запас поверхности:

ΔF =

, (36)

ΔF =

.

Запас поверхности значительный, его корректировку можно осуществить несколькими способами: изменением подачи воздуха за счет регулирования угла γ установки лопастей вентилятора или с помощью жалюзийного устройства. Большая величина запаса поверхности увеличивает диапазон температур, при которых может работать аппарат, поэтому необходимость применения увлажнения воздуха отсутствует.

3.4 Расчет сопротивлений

3.4.1 Аэродинамическое сопротивление пучка труб

Число Рейнольдса для воздушного потока:

Re_B = w_уз^.d_уз /ν, (37)

где d_уз = 0,2 м – ширина узкого сечения,

ν = 0,000014 м²/с – кинематическая вязкость воздуха,

Re_B = 9,826^.0,2 /0,000014 = 67857.

Число Эйлера:

Eu = 4,75 zRe_в^-0,285, (38)

Eu = 4,75^. 4^. (67857)^-0,285 = 0,8.

Eu = Δр_А/(ρw_уз²). (39)

Аэродинамическое сопротивление аппарата из формулы (39):

Δр_А = Eu^. (ρw_уз²), (40)

Δр_А = 0,8^. (1,293^. 9,826²) = 100 Па.

3.4.2 Гидравлическое сопротивление аппарата

Гидравлическое сопротивление аппарата:

, (41)

где λ_г – гидравлический коэффициент сопротивления трения, для турбулентного режима:

λ_г = 0,3164/Re^0,25,

λ_г = 0,3164/14938^0,25 = 3,5.

ξ_г – коэффициент местного сопротивления при движении охлаждаемого продукта в трубном пространстве:

ξ_г = 1,5 для входной и выходной камеры (для одной секции),

ξ_г = 2,5 на повороте между ходами и секциями (два хода внутри секции, два промежутка между секциями),

ξ_г = 1 на входе потока в трубы и на выходе из них (для одной секции).

С учетом коэффициентов получаем:

Па.

4. Прочностной расчет

Устанавливаем основные размеры узлов заданного аппарата:

- количество рядов труб z = 4;

- число ходов по трубам n_х = 2;

- длина труб L = 8 м;

- шаг размещения т руб – t₁ = 59 мм, t₂ = 51 мм

- наружный диаметр труб - d_H = 28 мм;

- наружный диаметр основной трубы - d = 25 мм;

- внутренний диаметр биметаллических труб - d_BH = 21 мм;

- толщина стенки основной трубы - δ_т = 2 мм;

- диаметр отверстий в решетке d_o = 25,4 мм;

- наружный размер прокладки в продольном направлении L_пр = 1282 мм;

- наружный размер прокладки в поперечном направлении В_пр = 246 мм;

- ширина прокладки - b_пр = 12 мм;

- ширина перфорированной части трубной решетки – В₁ = 224 мм;

- расстояние между осями болтов в поперечном направлении - В_Б = 296 мм;

- диаметр болтов (шпилек) - d_Б = 16 мм (М16);

- количество болтов - n_Б = 46;

- размер фланца крышки в поперечном направлении - В_ф = 346 мм;

- внутренний размер камеры в поперечном направлении - В_о = 194 мм;

- внутренний размер камеры в продольном направлении L_o = 1228 мм.

Для данного аппарата примем камеру разъемной конструкции. Основные размеры камеры изображены на рисунке 4.

Рисунок 4

1 – крышка; 2 – прокладка; 3 – трубная решетка

4.1 Проверка на прочность шпилек

Определяем основные расчетные размеры трубной решетки и прокладки.

Расчетная ширина прокладки

b_прR = min {b_пр, 3,87

} (37)

b_прR = min {12, 3,87

= 13,4} = 12 мм.

Принимаем прокладочный коэффициент m_пр = 2,5 для прокладки из паронита.

Расчетный размер трубной решетки в продольном направлении:

L_p = L_пр – Ь_прR; (38)

L_p = 1282 - 12 = 1270 мм.

Расчетный размер трубной решетки в поперечном направлении:

В_р = В_пр – b_прR; (39)

В_р = 246 - 12 = 234 мм.

Расчетная ширина перфорированной части трубной решетки:

В_т = min {z^.t₂, В_р}; (40)

В_т = min{4· 51 = 204; 234} = 204 мм.

Характерный размер отверстий решетки (для решеток с трубами, закрепленными в части толщины решетки):

d_E = d_o - δ_т; (41)

d_E = 25,4 – 2= 23,4 мм.

Коэффициент ослабления решетки отверстиями:

φ_р = 1 - d_E/t₁; (42)

φ_р = 1 – 23,4 / 52 = 0,55.

Принимаем для дальнейших расчетов прибавку на коррозию материала С = 1,5 мм.

Определяем расчетное усилие в шпильках в условиях эксплуатации:

F_Б = P_p[L_pB_p + 2b_прR^.m_пр^.(L_р + В_р)], (43)

где Р_р – расчетное давление,

Р_р = Р - Р_атм, (44)

Р_р = 0,22 – 0,1 = 0,12 МПа;

F_Б = 0,12· [1270^.234 + 2^.12^.2,5·(1270 + 234)] = 46490,4 Н.

Давление испытания при использовании литых крышек:

Р_исп = 1,5P_p[σ]²⁰/[σ]^t, (45)

где [σ]^t = 121,2 МПа, [σ]²⁰ = 140 МПа – допускаемые напряжения для стали 10Х18Н9ТЛ – материала для изготовления крышки (для исполнения Б4) при рабочей температуре t_р = 144^оС и при нормальных условиях соответственно [4, с. 147];

Р_исп = 1,5^.0,12·121,2/140 = 0,156 МПа,

Коэффициент податливости фланцевого соединения крышки и решетки η_р = 2 [4, с. 84].

Расчетное усилие в шпильках в условиях испытания или монтажа:

(46)

Окончательно принимаем F_o = 106797,6 Н.

Поперечное сечение шпильки М16 (в ослабленном резьбой сечении) S_Б = 157 мм² [4, с. 118].

Допускаемые напряжения для шпилек из стали 35Х:

[σ]²⁰_Б = 230 МПа; [σ]^t_Б = 228,24 МПa.

Условие прочности шпилек:

F_Б/(S_Бп_Б) = 46490,4/(157·46) = 6,44 < [σ]^t_Б =228,24,

F_o /(S_Бп_Б) = 106797,6/(157·46) = 14,8 < [σ]²⁰_Б = 230.