Univerzitet u TuzliMašinski FakultetOdsjek:Energetsko Mašinstvo Predmet: Toplotni Aparati i uređaji

Ime i prezime: Br. Indeksa :

Projektni zadatak br. 2

Za potrebe procesne inudstrije potrebno je uraditi masšinski projekat niskotlačnog izmjenjivača toplote prikazanog na slici br.3:

Parametri fluida su :Primarni fluid-vodena para:

-radni pritisak p=220 KPa

-ulazna temperatura tl)=125c

-izlazna temperatura tli=tz

Sekundarni fluid-voda koja se grije:

-protočna masa M=42 kg/s

-radni pritisak p2=1,6 MPa

-ulazna temperatura t2u=40 c

-izlazna temperatura t2i=80c

Gubitak toplote doveden ogrjevnom vodenom parom iznosi 1,5 %

Radne pritiske usvojiti kao projektne, što se također odnosi i na temperature.

Projektno riješenje treba da sadrži:-toplotni proračun izmjenjivača topline-proračun pada pritiska na strani prijemnika toplote -proračun čvrstoće osnovnih elemenata -proračun zavarenih spojeva-specifikacija materijala sa orijentacionim cijenama-sklopni crtež rezervoara sa detaljima veza i karakterističnih

dijelova-popis korištenih propisa pri izradi projekta

1. TOPLOTNI PRORAČUN

1.1 Toplotni bilans

Količina toplote koja se predaje vodi ( prijemniku toplote )

Qv = M ( i’2 – i”2 )

Za p = 16 bar i t = 40 °C iz TDT slijedi da je i’2 = 168,8 kJ/kg-entalpija vode na ulazu u izmjenjivač

Za p = 16 bar i t = 80 °C iz TDT slijedi da je

i2 “ = 335.8 kJ/kg-entalpija na izlazu iz izmjenjivača

Qv = M ( i’2 – i”2 ) kWQv = 42 ( 335.8 – 168,8 )Qv = 7014 kW

Količina toplote koju predaje vodena paraQp = Qv / p

p = 1 – x p = 1- 0,015 p = 0,985

Qp = 7014 / 0,985

Qp = 7120,81 kW

Protočna masa ogrevne pare

M1 = Qp / ( i1 ul – i1 iz ) [ kg/s ]

Za p = 16 bar i t = 125 °C interpolacijom iz TDT slijedii1 ul = 2725 kJ/kgtz = 123,27 °C - temperatura zasićenja za pritisak p = 16

bari1 iz = 517,8 kJ/kg M1 = 3,22 kg/s

1.2 Komora za obaranje pregrijanja

Uslov da bi se uvela komora je : T = t1 ul – t1 z > 5 °C

T = 125 – 123,27 T = 1,73 < 5 °CKomora za obaranje predgrijanja nije potrebna

1.3. Srednje temperaturne razlike

2

1.3.1 Srednja logaritamska temperaturna razlika

Tsr ln = Tv - Tm / ln ( Tv / Tm )

Tsr ln = 61,5 °C

Tv = t1 z – t 2 ul

Tv = 123,.27 – 40 Tv = 83,27 °C

Tm = t 1 z – t 2 iz

Tm = 123,27 – 80 Tm = 43,27 °C

1.3.2. Srednja temperatura vode

t 2 = t1 z – Tsr ln

t 2 = 123,27 – 61.5t 2 = 61,77 °C

1.4 Koeficijent prenosa toplote

1.4.1 Ukupni koeficijent prenosa toplote

3

k=

1

1αV

dU

dV+∑

δVλV

dU

dV+ δλ

dU

dSR

+∑δU

λU+ 1α2

v = 1

u = 2

v – debljina naslaga sa vanjske straneu – debljina naslaga sa unutrašnje stranev – koeficent provođenja toplote sa vanjske straneu – koeficient provođenja toplote sa unutrašnje strane

k = 1 / RR = R 1 + R s + R k + R 2

1.4.2. Proračun toplotnog otpora na strani vode ( R 2 )

R 2 = 1 / 2

a2=0,023

λ2

dU(wdU

ν )0,8

Pr0,4

Nu – Nuseltov brojdu – unutrašnji prečnikRe – Rejnoldsov brojPr – Prandtlov brojw – brzina strujanja - kinematski viskozitet

Nu = 0,023Re0,8 Pr0,4 - ( *)

Da bi jednakost (*) bila ispunjena mora biti ispunjen uslov 1< Pr < 200 Re > 104

Usvajam :1 Prečnik cijevi i debljina stjenke :

Iz tabele na strani 2 priloga : usvajam čeličnu bešavnu cijev dimenzija 30 X 2 JUS C. B5. 230 – 1970 dv = 30 mmdu = 26 mm

s = 2 mm

2 Brzina strujanja :Iz tabele 3 iz priloga i na osnovu preporuka za glavni kondenzat( 1,5 ÷ 3 ) m/s usvajam w = 1,5 m/s

4

3 Raspored cijeviUsvajam koridorni raspored cijevi sa veličinom parametra t t = ( 1,25 ÷ 1,3 ) dv

t = 1,25 * 30 tt = 37,5 mm

t

Za p = 16 bart2 = 61,5 °C2 = 0,659 W/m2K - iz dijagrama TDT str. 632 = 0,475 * 10-6 m2/sPr = 2,97 1 < Pr < 200Re = 26 *10-3 * 1.8 / (0,4654 * 10-6 )Re =82105 > 104

pošto su ispunjeni uslovi to je :

2 = 0,023 * (0,659/0.026) * ( 82105 )0,8 * 2,970,4 2 = 7695 W/m2KR2 = 1/2

R2 = 1,229 * 10-4 m2K/W

1.4.2 Toplotni otpor kroz stjenku cijevi ( Rs )

Rc=

δCλC

d SR

dU

=0 ,00246

2624

= 2 mm = 46 W/m2K - toplotna vodljivost za čelikd sr = + du = 24 +2 = 26 mm – srednji prečnik

cijevi

Rc = 0.002 * 0.024 / ( 46 * 0.026 )Rc = 0,468* 10-4 m2K/W

1.4.3 Toplotni otpor naslaga kamenca i prljavštine ( Rk )

Rk = Ru + Rv du / dv

Ru - toplinski otpor u cijevima usvaja se iz tbl. na strani 4 priloga

w = 1,5 m/st = 61.5 °Chemijski pripremljena vodaRu = 0,9 * 10-4 m2K/W iz tablica (prilog 1)

Rv - toplotni otpor u cijevima kod kondenzacije vodene pare i za vodenu paru bez

5

primjesa ulja usvaja se iz tabele na strani 4 priloga.

Rv = 1,85 * 10-4 m2K/WRk = 2,5010-4 m2K/W

1.4.5 Ukupan otpor provođenju toplote kroz cijevi i nasalage

Rp = Rc + Rk

Rp = ( 0,468 + 2,50 ) 10-4

Rp = 2,968 10-4 m2K/W

1.4.6Toplotni otpor na strani vodene pare ( R1 )

Određujemo zbir R2 + RpR2 + Rp = ( 1,229 + 2,968 ) 10-4

R2 + Rp = 4,197 * 10-4 m2K/W

KORAK 1 :

Pretpostavimo : R01 = 0,0005 > R2 + Rp m2K/WOgrevna površina preko koje se računa razmjena toplote

je :

Ao = QvR01 / T sr ln

Ao = 7014 * 5*10-4 / 61,5Ao = 57,02 m2

Broj cijevi u jednom vodenom putu

n = 4M v2 / ( du2 w )

Za p = 16 bar i t = 61,5 °C slijedi da je (iz TDT )v2 = 0,001016 m3/kg

n = 4 * 42 * 0,001016/ ((0.026 )2 * 3,14 * 1,5 )n = 53,62Iz konstruktivnih razloga usvajam n = 55 cijeviDužina cijevi u jednom vodenom putu

l0=A0

du⋅π⋅n1

=¿ , ¿57 ,02 ¿

0 ,026⋅π⋅55

lo=6.40m

Zbog ograničenja dužine ( 3 ÷ 8 m ) usvajam broj vodenih putevanvp 2

Dužina cijevi sa usvojenim brojem vodenih puteva je :

6

l vp = lo / n vp

l vp = 3,2 m

Ukupan broj cijevi u cijevnom zidu je :

ncp = n vp nncp = 2 * 55ncp = 110 cijevi

Prečnik plašta na osnovu usvojenog rasporeda

t = 35 mmdv = 28 mmr = 8 * 28 + 35/2r = 241,5 mm usvajam r=250

ru = 2 dv + r + 37,5ru = 60 + 250 + 37,5ru = 347,5 mm usvajam ru=350 mm

Du = 2 ru

Du = 2 * 350Du = 700 mm

Broj cijevi po vertikali i = 14Potrebno je odrediti režim strujanja što se radi na osnovu kritične vrijednosti koeficienta i

kr= 0,16

BA

4√dv⋅ΔT 1

q01 = T sr ln / R01

q01 = 61,5/0,000468q01 = 131410 W/m2 - orjentacioni specifični tok

Otpor provođenja toplote kod kondenzacije pare

R101 = R01 – ( R2 + Rp ) R101 = 8,03 *10-5 m2K/W

Sada je T101 = q01 R101

T101 = 10,05 °C - orijentaciona temperaturna razlika kod prvog približenja

t101 = tz – 0,5 T101

t101 = 123,27 – 0,5 * 10,55t101 = 118 °C

7

Određivanje A i B na osnovu t101

A =12756B = 42375i kr = 0,281

Na osnovu i kr = 0,281 iz dijagrama na strani 6 priloga određuje se i kr i ako je :i kr > i strujanje je laminarnoi kr < i strujanje je turbulentno

Za i kr = 0,281=> i kr = 8 i kr < i = 14 strujanje je turbulentno

Koeficijent prelaza toplote za turbulntno strujanje

α 11= ϕi⋅iki

0 ,72⋅A4√dV⋅ΔT 101

+0 ,16(1−iki)⋅B

ϕϕ ’ – koeficient koji zavisi od broja vertikalnih redova “ i “ i bira se

iz dijagrama na strani 6Za i = 14 ’ = 0,45

11 = 4051 W/m2K

R11=

1α

dud v

= 112769 ,56

0 ,0260 ,028

R11 = 2,291 * 10-4 m2K/W

Sada je orjentacioni specifični tok u prvom približavanju

q11 = T101 / R11

q11 = 10,05/0.0002291 q11=43867 W/m2

KORAK 2

Usvajam toplotni otpor R02 > R01

R02 = 0,00045 m2K/W

q02 = T sr ln / R02

q02 = 61,5 / 0,0000343 q02 = 136666 W/m2

Otpor provođenja toplote kod kondenzacije u drugom koraku

R102 = R02 – ( R2 + Rp )

8

R102 = 0,343 * 10-4 m2K/WSada je T102 = q02 R102

T102 = 16,52 °C - orijentaciona temperaturna razlika kod drugog približavanja

t102 = tz – 0,5 T102

t102 = 123,27-0.5*16,52 t102=115 °C

Određivanje A i B na osnovu t102

A = 12703B = 42328

i kr = 0,312

Na osnovu i kr =0,312 iz dijagrama na strani 6 priloga određuje se i kr i ako je :i kr > i strujanje je laminarnoi kr < i strujanje je turbulentno

Za i kr = 0, 312 => i kr = 6 i kr < i = 14 strujanje je turbulentno

Koeficijent prelaza toplote za turbulntno strujanje

α 12=ϕi⋅iki

0 ,72⋅A4√dV⋅ΔT 101

+0 ,16 (1−iki)⋅B

ϕϕ ’ – koeficient koji zavisi od broja vertikalnih redova “ i “ i bira

se iz dijagrama na strani 6Za i = 14 ’ = 0,45

12 = 6011 W/m2K

R12 = du / ( dv 12 )R12 = 0,026 / ( 14133.23 *0,0 28)R12 =1,544 * 10-4 m2K/W

Sada je orjentacioni specifični tok u prvom približavanju

q12 = T102 / R12

q12 = 106994 W/m2

Stvarni toplotni tok :

9

q=q01⋅q12−q11⋅q02

(q01+q12)−(q11+q02)

q = 139102 W/m2

Stvarni toplotni pad na strani kondenzata

T1 = q*R1=139102*0,223*10-4

T1 = 3,10 °C

Ukupni toplotni otpor je

R= Tsr ln /q=61,5/139102

R=4,42*10-4

Toplotni otpor na strani vodene pare :

R1 = R-(R2+RP)R1=4,42-4.197

R1 = 0,223 * 10-4 m2K/W

Stvarna ogrevna površina :

A = Qv / qA=7014000/139102A = 50,42 m2

Stvarna dužina cijevnog registra

l = A / ( du ncp ) l=42.4/(0.026*3.14*110)l = 5,60 m

1.5.Određivanje dimenzija priključka

D=√ 4⋅M⋅vw⋅π

1.5.1.Priključak za dovod i odvod vode

-Unutrašnji prečnik

10

Dpvu=√ 4⋅M2⋅v2

w2⋅π=√ 4⋅42⋅0 ,001059

1,5⋅π≈0 ,194

mUsvajam cijev sa prirubnicom JUS.C.J.1033 prečnika D=200 mm, =8 mm

1.5.2.Priključak za dovod pare

-Unutrašnji prečnik

Dppu=√ 4⋅M1⋅v1

w1⋅π=√ 4⋅3 ,22⋅0 ,001060

40⋅π=0 .304m

Dppu=0,304mw1=40 m/s-usvojena vrijednostv1=0 ,001060 m3/kg -za p1=2,2 bar i t1=125 c Usvajam cijev sa prirubnicom JUS.C.J.103 prečnika D=350 mm, =4 mm

1.5.3.Priključak za odvod kondenzata

-Unutrašnji prečnik

Doku=√ 4⋅M1⋅v1 z

w1z⋅π

=0 ,093 [m ]

w1 z=0,5 m/s-usvojena vrijednost v1 z=0 ,001058 m3/kg-za p1=2,2 bar i tz=123,27 c- Usvajam cijev sa prirubnicom JUS.C.J.103 prečnika D=100mm, =2 mm

2.Proračun pada pritiska na strani prijemnika toplote (vode)

p=(ξ⋅z⋅l

du

+∑ ρ )w2

2⋅ρv=0 ,24

barξ1=1,5−koeficijent usljed ulaska i izlaska iz komore pod uglom 90ξ2=1− koeficijent na izlazu iz cijevnog registraξ3=2,5− koeficijent zbog promjene smjera za 180λ=0 .03−keficijent trenja za celicne cijevi Z- broj vodnih prolaza---2

∑ ρ−suma mjesnih otpora p = [ ( z l / du ) + ] w2/2w - brzina vode u cijevima

Na osnovu odnosa Re i du / k gdje je k - apsolutna hrapavost za čelične bešavne cijevi

11

k = 0,02 mmdu / k = 1300

l = 46 mdu = 0,026 mw = 1,5 m/s = 1 +2 +3 +4 +5

1 - promjena smjera za 180 ° iz jednog u drugi vodeni put 1 = 1 * 2,5 = 2,52 - udar i promjena smjera u ulaznoj i izlaznoj komori2 = 2 * 1,5 = 33 - ulaz u prostor cijevnog registra pod uglom 90°3 = 1,54 - Promjena smjera kretanja kroz pregrade u cijevnom registru4 = 4 * 1,5 = 65 - izlaz iz cijevnog registra5 = 1

p< 0,5 bar 3.Proračun čvrstoće osnovnih elemenata3.1.Proračun omotača3.1.1.Proračun omotača parnog dijela

Ds=2s+Du

s=

DS⋅p

20KSν+ p

+c1+c2

Za usvojeni materijal (ugljenični čelik za kotlovske limove Č.1200str. 307 STROJARSKI PRIRUČNIK-KRAUT)

K=205,5 N/mm2-granica plastičnosti za radnu temp. pare

S=1,5-stepen sigurnosti; c1=0,5-dozvoljeno neg.odstupanje debljine

lima ; c2=1-dod.na koroziju ;ν=0,8

Ds=28+700=516

Ds=716 mm

s'=2,21mmusvojeno s=8mm Debljina stjenke omotača parnog dijela je s=8 mm

12

3.1.2.Proračun omotača vodene komore

Obično se usvaja isti vanjski prečnik omotača i za vodenu komoru i za parni dio isti materijal Č.1200 Ds=716 mmp=16 bar K=205,5 N/mm2 - granica plastičnosti za radnu temp. vode

s=

716⋅16

201801,5

0,9+16+0,5+1

s=6,46mmusvajam s=8mm

3.2.Proračun cijevi

-Usvojeni materijal za sve priključke je ugljenični čelik Č.1214 sa granicom plastičnostiKv=205 N/mm2

s=

D v⋅p

20KSν+ p

+c1+c2

; ν=13.2.1.Proračun cijevi u cijevnom registru

-Usvojena cijev Dv=30 mmp=16 bar =2 mms=1,67 mms<-zadovoljava

3.2.2.Proračun priključka za dovod i odvod vode

-Usvojena cijev je Dv=200 mm =8 mm

s=

200⋅16

202051,5

1+160,5+1

s=2,66 mms<-zadovoljava

3.2.3.Proračun priključaka za dovod pare

Usvojena cijev je Dv=350 mm

13

p=2,2 bar =6 mm

s=

350⋅2,2

202051,5

1+2,2+0,5+1

s=1,78mms<-zadovoljava

3.2.4.Proračun priključka za odvod kondenzata

Usvojena cijev je Dv=100 mmp=2,2 bar =2 mm

s=

90⋅5

202051,5

1+5+0,5+1

s=1, mm3.3.Proračun neankerisanih okruglih ploča

a) Neankerisana okrugla ploča bez dodatnih momenata

s=C⋅D1⋅√ p⋅S

10⋅K

- p=16 bar - K=205,5 N/mm2 - S=1,5- C=0,35 - D1=716 mm D1

- Slika 3a

s=0 ,35⋅716√16⋅1,5

10⋅205 ,5=27 ,08

mm usvojeno sR=30 mm3.4.Proračun vijaka i prirubnice

-Dimenzije su :1.za prirubnicu i brtvu

du=700 mm h0=22 mm SE=10 mm a1=52 mm S1=17 mm dD=726 mm aD=34,5 mm dt=770.5 mm ds=790 mm hD=3 mm bD=40 mm

3.4.1.Proračun vijaka

14

-Minimalna sila u vijku za radno stanje FSB=FRB+FFB+FDB

PARNA STRANA VODNA STRANA

# Sila od unutrašnjeg pritiska po prečniku du

FRB=

p⋅π⋅du2

4

p=0,22 N/mm2 p=1,6 N/mm2du=700 mm du=700 mm

dD=726[mm ]

FRB1=88535,69 N FRB2=643895,93 N

# Sila od unutrašnjeg pritiska od sredine zaptivača do unutrašnjeg prečnika

FFB=

p⋅π (dD2 −dU

2 )4

FFB1=6403 N FFB2=45667N

FDB-sila zaptivanja u radnim uvjetima

FDB=

p⋅π⋅aD⋅SD⋅k1

10 = k1=1,3bD =52 -za paru,aD=34.5 SD=1,2 FDB1=1135 N FDB2=0 N FSB1= 96073,69N

FSB=F RB+FFB+FDB FSB2=689562 N

Najmanja sila u vijku ,koja je potrebna za ugradno stanje je:

FDV=π⋅dD⋅k0⋅kD

K0⋅K D=200√ bD

hD=200√42

3=748 . 3

K0⋅K D=15⋅bD=15⋅42=630FDV1=1705854,6 N FDV2=1244683,4 N Kako je: FDV 1> FSB1 slijedi

15

F*DV=0,2 FDV +0,8√FSB⋅FDV

F*

DV1=665035,3 N

Kako je FDV2 >FSB2 slijedi da je korekcija sile F*

DV2=990086,6 N

*** FSB =max (FSB1, FSB2) = 689562 N

*** FDV =max (F*DV1 , F*DV2 )=990086,6 N

-Proračun vijka za radno stanje:

dKR=z⋅√ FSB

k⋅n+C5=1. 51⋅√689562

210⋅36 dKR=18,42 mm C5=3 mm dKR=20 mm n=36 K=210-granica razvlacenja za celik č0245 N/mm

Z=1.51 Usvojeni vijak je M20-Bojan Kraut

-Proračun vijka za ugradno stanje:

d KU=z⋅√ FSB

k⋅n+C5

z=1,29 K=210 N/mm dKU=16,32 mm

dKU=18 mm

usvajam vijak: M18

d k= max (d KR, d ku) =20 mm

USVOJENI VIJAK JE M20 CIJA JE DUŽINA l=130 mm,BROJ VIJAKA JE n=36.

3.4.2.Proračun prirubnice

a) radno stanje

W rad=

F SB⋅SK

⋅a=336645⋅1 .5230

⋅52=233851 ,46mm3

b) ugradno stanje:

16

W20=

FDV⋅SK

⋅aD=681589⋅1. 1250

⋅34 .5=150295 ,14 mm3

W =max (W rad ,W 20)=233851,46 mm3

hF=√ 1 ,27⋅W−Zb

=√ 1. 27⋅233851 ,46−288000152

=

z=(du + sF) sF

2=288000 mm3

SF=20hF=7,69 mm b =ds -du-2 d*

L

hF=10 mm b=790-700-2*14 b=62 mm d*

L=0,5 dL=0,5*28 mm

4.0 Proračun danceta

Usvojeno duboko dance za koje vrijedi:

Pri čemu moraju biti ispunjeni uslovi

Preporuka za:

Debljina danceta

17

0 ,001≤se−c1−c2

Ds≤0,1

h2=0 ,255⋅DS−0 ,635⋅seh2=0 . 255⋅716−0 . 635⋅10h2=154 mm

r=0 ,154⋅D S=110 [mm ]

R=0,8⋅D S=0,8⋅716=572 ,8 [mm]R=0,8⋅D S=0,8⋅716=572 ,8 [mm ]

h1≥3,0⋅s

β−Proracunska vrijednost prema dijagramu str.4 priloga---2.8S –Usvajam 6(mm)Provjera danceta na elastično udubljenje:

U zavisnosti od

se−c1−c2

Ds

≈0 ,0118

pbE

⋅105=4

E=2 ,075⋅105 [Nmm2 ]pB -pritisak potreban da deformiše dance.pB=4⋅E⋅105=8.3 [bar ]>1,5 p2=3,3 [bar ]pB>1,5 p2 -zadovoljava

Prilog: Na mjestima zavarenih spojeva prilključaka na omotač prema standardu jus JUS M.32.E2.15 koristice se vrsta zavarenog spoja „B“.Vrsit ce se jednostarno zavarivanje a=0,7s, sa koeficijentom valjanosti zavarenog spoja od 0,9.

Literatura: Tehnički propisi u mašinstvu Prof.dr Martin Bonger, Miodrag Isailović dipl.ing

pravilnik o tehničkim normativima za stabilne posude pod pritiskom standardi JUS M.32.E2.15, kontrolni proračun kotla i njegovih dijelova član 53

opšti tehnički propisi za izradu predmeta i konstrukcija zavarivanjem posuda pod pritikom standard JUS C.T3.061

18

s=DS⋅p⋅β

40KSυ

+c1+c2=2 . 39 [mm ]

pravilnik o jugoslovenskim standardima za noseće čelične konstrukcije

Kraut-strojarski priručnik Priručnika za termodinamiku Dr. Djordje Kozić,Bogosav

Vasiljević

19