3.2 Опис та обґрунтування конструкції апарата, його основних вузлів та деталей

Незважаючи на те, що горизонтальний кожухотрубний теплообмінник займає значну площу, було обрано цю конструкцію, оскільки вона є зручнішою при обслуговуванні та експлуатації, а також при влаштуванні його на робочу поверхню. Основними елементами даного одноходового горизонтального кожухотрубного теплообмінного апарата є корпус, кришки, трубні решітки, пучки труб. Трубні решітки приварені до кожуха. В трубних решітках закріплений пучок труб. До трубних решіток прикріплені (на прокладках та болтах) кришки.

Теплообмінник з лінзовим компенсатором на корпусі. Температурні деформації компенсуються вістовим стисненням або розширенням цього компенсатора [4].

Всі процеси, що протікають в апараті відбуваються в корпусі, властивості якого мають задовольняти такі вимоги: герметичність, компактність розміщення, міцність і відносна дешевизна. Труби в решітках рівномірно розміщені по периметру правильного шестикутника так, щоб у двох секціях знаходилась однакова кількість труб. Метою такого розміщення труб є забезпечення компактного розміщення необхідної поверхні теплообміну всередині апарата [3].

3.3 Вибір матеріалів для виготовлення основних вузлів і деталей апарата.

Беручи до уваги властивості і параметри (температура, тиск) робочих середовищ в апараті для виготовлення металевих елементів апарата, які контактують з оброблювальними середовищами (теплоносіями) використовуємо сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72. А для решти металевих елементів використовуємо конструкційну вуглецеву сталь звичайної якості марки Ст3 ГОСТ 380-94.[8]

Для виготовлення ущільнювальних прокладок фланцевих з`єднань використовуємо політетрафторетилен (ПТФЕ) ГОСТ 10007 – 80Е [7].

Для виготовлення кріпильних елементів (болтів, гайок) використовуємо конструкційну вуглецеву сталь підвищеної якості марки Сталь 35 ГОСТ 1050-88 [8].

3.4 Відповідність розроблюваного апарату вимогам техніки безпеки та промислової санітарії

До теплообмінних апаратів, як і до будь-яких інших, висувається ряд вимог щодо безпечного функціонування. Ці вимоги сформульовані в ГОСТ 12.2.003-91 ССБТ.

У відповідності зі стандартом промислове обладнання повинно відповідати вимогам безпеки при монтуванні, експлуатації, ремонті, транспортуванні та зберіганні [9].

Промислове обладнання в процесі експлуатації не повинно забруднювати навколишнє середовище викидами шкідливих речовин вище певних норм; повинно бути пожежо- та вибухобезпечним; не повинно створювати небезпеку при дії вологи, сонячної радіації, механічних коливань, високих і низьких тисків та температур та інших чинників.

Теплообмінник відноситься до спеціалізованого обладнання, яке використовується для проведення одного процесу різних модифікацій. Цей апарат працює під тиском. Основною небезпекою при роботі таких апаратів є можливість їх пошкодження при неконтрольованому адіабатному розширенні газів або парів (фізичний вибух). Причинами аварій можуть бути: невідповідність конструкції максимально допустимому тиску і температурному режиму; перевищення тиску в апараті; зниження механічної міцності апарата (корозія, внутрішні дефекти металу, місцеве перегрівання); відсутність необхідного технічного нагляду. Тому теплообмінний апарат має відповідати вище названим вимогам безпеки при монтажі, експлуатації та ремонті.

Не допускається проведення ремонтних робіт під час роботи, а після кожного ремонту чи реконструкції необхідно проводити внутрішній огляд апарату та піддавати його гідравлічному випробуванню. Перед внутрішнім оглядом та гідравлічним випробуванням апарат повинен бути зупинений, охолоджений, звільнений від робочих середовищ і від’єднаний від трубопроводів, які з’єднують його з іншими апаратами.

Конструкція апарата, який зігрівається гарячим паром чи газом, повинна забезпечувати надійне охолодження стінок, які знаходяться під тиском, до розрахункової температури.

Зварні шви повинні розташовуватись поза опор апарата. У випадках, коли ця вимога не може бути виконана необхідно передбачити контроль підопорних швів.

Обслуговуючий персонал повинен неухильно виконувати інструкції по режиму роботи та безпечному обслуговуванню апарата і своєчасно перевіряти швидкість руху теплоносія в між трубному і трубному просторі, справність арматури, вимірювальних приладів, передаточних пристроїв [9].

4 Розрахунки, які підтверджують працездатність і надійність конструкції

4.1 Тепловий розрахунок

Розрахувати та підібрати кожухотрубчатий теплообмінник для нагрівання розчину NH₄NO₃ з концентрацією 30% від температури кипіння. Видаток розчину 14000 кг/год. Гріючий агент-насичена водяна пара, параметри якої вибрати самостійно.

Температура кипіння NH₄NO₃ при Р= 0,1 МПа складає t_кип.= 104,5 ºС

Вважаємо, що охолоджувальна вода нагрівається від t_поч. = 25 °С до t_кін=40°С.

Температурні умови процесу

Температурна схема:

t_поч. = 25 С → t_кін. = 40 С;

Більша різниця температур:

∆t_б = t _NH4NO3 – t_поч. = 119,62 – 25 = 94,62 С.

Менша різниця температур:

∆t_м. = t_оцт.к. – t_кін. = 119,62 – 104,5 = 15,12 С.

Оскільки ∆t₁∕∆t₂>2, то середня різниця температур:

∆t_ср.=

Середня температура охолоджувальної води:

t_ср.в. = t _NH4NO3 – Δt_ср. =104,5 – 43,35=61,15 С.

Теплове навантаження теплообмінника та площа поверхні теплообміну:

де G– масовий видаток води кг/м³ , с_р - теплоємність води Дж/(кг*К)

густина насиченого пару при 119,62С, ρ=1,108 кг/м³

Витрати охолоджувальної води:

кг/с,

де 4,5% - втрати теплоти крізь зовнішню поверхню теплообмінника.

Приймаємо труби теплообмінника діаметром 25×2 мм. Задаємось значенням критерію Рейнольда для води Re=10000 (турбулентна течія) і розраховуємо потрібну кількість труб:

звідки:

де μ=0,8007·10^-3 Па·с – динамічний коефіцієнт в’язкості води при 30 С (табл.VI) [1].

Визначаємо орієнтовну площу теплообміну:

м²

де к = 500 Вт/(м²·К) – орієнтовне середнє значення коефіцієнта теплопередачі в конденсаторах парів неорганічних речовин (таблиця 4-8)[1].

Звертаючись до табл.XXXIV, бачимо , що найближча кількість труб:

одноходовий теплообмінник n= 74

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі для води α_в.

Значення критерію Re:

Це ламінарна течія. Скористаємось номограмою (рис. XII), спираючись на те, що, оскільки вода нагрівається.

Значення критерію Pr для води при 61 С Pr=2,98 , тобто маємо горизонтальне розташування труб, бо Re < 3500 (табл. XXXIX) [1].

Або за номограмою (рис. XII) [1] знаходимо:

Тоді

Вт/(м²∙К).

де λ=0,66 Вт/(м ∙ К) – коефіцієнт теплопровідності води при 61 С.

Коефіцієнт тепловіддачі для конденсую чого пара оцтової кислоти α_оцт.к.:

Вт/(м²∙К),

де ε для розташування труб приймаємо з запасом ε=0,57;

λ=0,523 Вт/(м ∙ К) - (рис.X) [1];

ρ=1655 кг/м³;

μ=3,23·10^-3 Па·с – (рис. V) [1].

Термічний опір стінки труби, виготовленої із нержавіючої сталі:

де λ_нерж. Вт/(м² · К) – коефіцієнт теплопровідності нержавіючої сталі (табл.XXVIII) [1].

Теплова провідність забруднення зі сторони нітрату амонію:

Вт/(м²∙К),

Теплова провідність забруднення зі сторони води:

Вт/(м²∙К),

Сумарний термічний опір стінки і забруднень:

м²∙К/Вт,

Коефіцієнт теплопередачі К розраховуємо як для плоскої стінки, оскільки співвідношення більше 0,5:

Вт/(м²∙К),

Необхідна площа поверхні конденсатора:

Оскільки відношення , то в даному випадку для розрахункової площі теплообміну використано значення d=0,025 м.

Дійсна площа теплообміну:

м²

Запас поверхні теплообміну:

δ=.

Запас площі поверхні теплообмінника достатній.

Питоме теплове навантаження:

Вт/м².

Визначення температури стінки з боку розчину амонію нітрату:

°С,

t_ст.1 = t_п - Δt₁ = 104,3- 12,13 = 92 °С.

Перевірка прийнятого значення .

де с_ст.= 377Дж/(кг∙К) – питома теплоємність при t_ст.1(рис. ХI) [1];

_ст. =0,57∙10^-3 Па∙с – в’язкість при t_ст.1 (табл. V) [1];

λ_ст.= 0,29 Вт/(м∙К) – теплопровідність

при t_ст.1 (рис. Х) [1].

Тоді:

Було прийнято, що = 1; різниця складає ~ 0,1 %. Можна вважати, що К розраховано достатньо точно.

Визначення температури стінки для води:

°С,

t_ст.2 = t_ср.в. + Δt₂ = 25 + 14,1 = 39,1 °С.

Середня температура стінки:

°С,

що відрізняється від температури кожуха на:

Δt_к-тр. = 104,5 – 65,5 =39 °С

Приймаємо один одноходовий кожухотрубний теплообмінник з внутрішнім діаметром кожуха 400 мм, кількістю труб 74 і довжиною труб L = 3 м, діаметром трубок Ø 25х2 мм і розрахунковою площею теплообміну F=17,43 м². Оскільки різниця температур більша 30 С, вибираємо теплообмінник з лінзовим компенсатором.