| Механический расчёт теплообменника | |
| Автор: student | Категория: Технические науки / Автоматизация | Просмотров: 2186 | Комментирии: 0 | 01-01-2014 23:09 |
СКАЧАТЬ:
2 Механический расчёт теплообменника
2.1 Выбор конструкционных материалов
Для изготовления кожуха, распределительной камеры, крышек теплообменника приняли конструкционный материал согласно [1,C.353] ВСт3сп5 по ГОСТ 14637-79.
Для изготовления трубной решетки теплообменника приняли сталь согласно 1,С.62 16ГС по ГОСТ 8479-70
Для изготовления теплообменных труб приняли конструкционный материал согласно [1,C.353] сталь 20 по ГОСТ 8731-74.
2.3 Определение допускаемых напряжений
Допускаемое напряжение для рабочих условий [], МПа, определяли согласно [2,C.9]
(20)
где - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки;
* - нормативное допускаемое напряжение, МПа.
Поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки принимали согласно [2,C.10]
=1,0
Нормативное допускаемое напряжение принимали согласно [2,C.11]
Допускаемое напряжение при температуре плюс 20С []20, МПа, определяли по формуле (20).
Нормативное допускаемое напряжение при температуре плюс 20С для стали ВСт3сп5 принимали согласно [2,C.11]
Допускаемое напряжение из условия испытания []и, МПа, определяли согласно [2,C.9]
(21)
где т20 - минимальное значение предела текучести при температуре
плюс 20С.
Минимальное значение предела текучести при температуре плюс 20С принимали согласно [2,C.282]
2.5 Определение прибавки к расчётной толщине стенки
Прибавку к расчетным толщинам конструктивных элементов С, м, определяли согласно [2,С.10]
С=С1+С2+С3, (25)
где С1 - прибавка для компенсации коррозии и эрозии,
С2 - прибавка для компенсации минусового допуска,
С3 - технологическая прибавка.
Согласно [2,С.16] прибавки С2 и С3 приняли равными нулю.
Прибавку для компенсации коррозии и эрозии C1, м, определяли согласно [2,C.10]
(23)
где - проницаемость среды в материал, мм/год;
в - срок службы аппарата, лет;
Cэ - прибавка для компенсации эрозии, мм.
Проницаемость среды в материал , мм/год, принимали согласно [2,C.30]
Срок службы аппарата в, лет, принимали согласно [2,C.30]
в=10 лет.
Прибавку для компенсации эрозии принимали согласно [2,C.10-15]
Cэ=0.
Окончательно прибавку для компенсации коррозии и эрозии приняли согласно [2,C.15]
C1=2 мм =0,002 м.
2.6 Расчёт на прочность цилиндрической обечайки
Расчётную толщину стенки цилиндрической части корпуса Sp, м, определяли согласно [2,C.18]
(24)
где Рр - расчётное давление, МПа;
D - внутренний диаметр аппарата, м;
- коэффициент прочности сварного шва;
[] - допускаемое напряжение при рабочих условиях, МПа;
Ри - пробное давление испытания, МПа;
[]и - допускаемое напряжение из условия испытания, МПа.
Коэффициент прочности сварного шва принимали согласно [2,C.13]
= 1,0.
Окончательную толщину стенки цилиндрической части корпуса приняли
S = 0,006 м.
Допускаемое давление при рабочих условиях [P], МПа, определяли согласно [2,C.19]
, (27)
где - коэффициент прочности сварного шва;
[] - допускаемое напряжение при рабочих условиях, МПа;
S - исполнительная толщина стенки, м;
C - прибавка к расчётной толщине стенки, м;
D - внутренний диаметр аппарата, м.
Допускаемое давление при условиях испытания [P]и, МПа, определяли согласно [2,C.19]
, (28)
где - коэффициент прочности сварного шва;
[]и - допускаемое напряжение при условиях испытания, МПа;
S - исполнительная толщина стенки, м;
C - прибавка к расчётной толщине стенки, м;
D - внутренний диаметр аппарата, м.
Должны выполняться следующие условия:
(29)
где Р - рабочее давление, МПа;
[Р] - допускаемое давление при рабочих условиях, МПа;
Ри - пробное давление испытания, МПа;
[Р]и - допускаемое давление при условиях испытания, МПа.
Применимость формул для расчёта на прочность цилиндрической обечайки определяли согласно [2,C.19]
(30)
где S - исполнительная толщина стенки, м;
С - прибавка к расчётной толщине стенки, м;
D - внутренний диаметр аппарата, м.
Выбранные формулы для расчёта на прочность корпуса применимы.
Таким образом, при толщине стенки S=6 мм обеспечивается прочность цилиндрической обечайки теплообменника как в рабочем состоянии, так и при гидравлических испытаниях.
2.8 Определение толщины крышки
Исполнительную толщину крышки Sп, м, определяли согласно [2,С.20]
Sп=Sп.р+C+C0, (38)
где Sп.р - расчетная толщина плоской крышки, м;
С - прибавка к расчетной толщине крышки, м;
С0 - прибавка на округление размера до стандартного значения, м.
Расчетную толщину крышки Sп.р, м, определяли согласно [2,С.20]
Sп.р=max , (39)
где K - коэффициент, учитывающий тип закрепления крышки;
K0 - коэффициент ослабления;
Dp - расчетный диаметр крышки, м;
Pp - расчетное давление в рабочем состоянии, МПа;
- коэффициент прочности сварных швов крышки;
- допускаемое напряжение при расчетной температуре, МПа;
Pu - пробное давление при гидравлическом испытании, МПа;
u - допускаемое напряжение при гидравлических испытаниях, МПа.
Коэффициент К, учитывающий тип закрепления крышки определяли согласно [2,С.22]
(40)
где - коэффициент;
Dб - диаметр болтовой окружности, мм;
Dс.п - средний диаметр прокладки, мм.
Коэффициент определяли согласно [2,С.22]
, (41)
где Rn - реакция прокладки, Н;
Fд - равнодействующая внутреннего давления, Н.
Согласно 1,C.223 приняли плоский приварной фланец.
Материал для плоского приварного фланца приняли согласно 1,C.223 ВСт3сn3.
Согласно 1,C.211 для крепления фланцевых соединений приняли болты.
Материал для болтов фланцевых соединений приняли согласно 1,C.244 Ст40 по ГОСТ 7798
Согласно 1,C.248 приняли плоскую неметаллическую прокладку, материал прокладки асбестовый картон
Наружный диаметр фланца Dф, м, и диаметр болтовой окружности Dб, м, приняли согласно 1, C.234
Dф = 1,13 м,
Dб = 1,09 м.
Средний диаметр прокладки Dс.п, м, определяли согласно 1,C.264
Dc.п = Dн - bп, (42)
где Dн-наружный диаметр прокладки, м;
bп-ширина прокладки, м.
Наружный диаметр прокладки Dн, м, определяли согласно [1,С.264]
Dн = Dб - e, (43)
где Dб-диаметр болтовой окружности, м.
Диаметр болтов dб, м, приняли согласно [1,С.263]
dб = 0,02 м.
Величину e, м, приняли согласно [1,С.264]
е = 0,03 м.
Dн = 1,09 - 0,03 = 1,06 м.
Ширину уплотнительной прокладки bп, м, приняли согласно [1,С. 262]
bп = 0,012 м.
Dс.п = 1,06 - 0,012 = 1,048 м.
Реакцию прокладки Rп, Н, в рабочих условиях определяли согласно [1,С.270]
Rп = 2Dс.пbЕmРр, (44)
где Dс.п-средний диаметр прокладки, м;
bЕ - эффективная ширина прокладки, м;
m-коэффициент;
Рр - расчетное давление, Па.
Эффективную ширину прокладки bЕ, м, определяли согласно [1,С.264]
bЕ = 0,5bп, (45)
где bп - ширина прокладки, мм.
bЕ = 0,50,012 = 0,006 м.
Коэффициент m приняли согласно [1,С.265]
m = 2,5.
Rп = 23,141,0480,0062,50,6106 = 59103 Н.
Равнодействующую внутреннего давления Fд, Н, определяли согласно [1,С.270]
Fд = 0,785Dс.п2Рр, (46)
где Dс.п-средний диаметр прокладки, м;
Рр-расчетное давление, Па.
Fд = 0,7851,04820,6106 = 517103 Н.
Коэффициент ослабления K0 приняли равным единице, так как крышка не ослаблена отверстиями.
sп = 0,00309 + 0,002+0,0011 = 0,034 м.
2.9 Определение толщины трубной решетки
Толщину трубной решетки Sp, м, исходя из условия закрепления труб развальцовкой с обваркой, определяли согласно [1,С.375]
(47)
где dt - наружный диаметр труб, м;
tp - шаг отверстий в решетке, м.
Толщину трубной решетки Sp приняли
Sp = 25 мм.
2.10 Выбор фланцевых соединений
Согласно [2,С.91] приняли плоский приварной фланец.
Так как теплообменник используется при давлении сред 0,6МПа, то согласно [2,С.91] приняли уплотнительные поверхности фланцевых соединений типа выступ-впадина.
2.11 Расчет температурных напряжений
Температуру стенок трубок tT, С, определили согласно 3,С.153
(48)
где 1, 2 - коэффициенты теплоотдачи метана и водяного пара, Вт/(м2ּК);
tСР, СР - средняя температура метана и водяного пара, С.
С.
Так как кожух теплообменника с наружи покрыт изоляцией, то согласно 3,С.153 температуру его стенки приняли
tК = 79С.
Разность температур стенок труб и кожуха определили
Δt= tТ - tК .
Δt=91,6-79=12,6С.
Согласно 3,С.154 разность температур кожуха и трубок не превышает максимально допустимо разности для теплообменников данного типа (ТН).
Площадь сечения трубок ST, м2, определили согласно 3,С.152
ST = ּ(dH-T)ּTּn. (49)
где dН - наружный диаметр труб, м;
T - толщина стенки труб, м;
n - количество труб.
ST = 3,14(0,025-0,002)0,002ּ860=0,124 м2.
Площадь сечения кожуха SК, м2, определили согласно 3,С.152
SК = ּ(D-К)ּК. (50)
где D - внутренний диаметр кожуха, м;
К - толщина стенки кожуха, м.
SК = 3,14(0,994 + 0,006)0,006=0,0188м2.
Усилие растягивающее или сжимающее трубки и кожух и обусловленное температурными деформациями Рт, Рк, Н, определили согласно 3,С.152
(51)
где SK – площадь сечения корпуса, м2;
ST - площадь сечения трубок, м2;
EK - модуль упругости материала корпуса, EK =1,9311011 Па;
ET - модуль упругости материала трубок, ET =1,9181011 Па;
1, 2 - коэффициенты линейного расширения материала кожуха и трубок, 1/С;
t0 - температура аппарату при изготовлении, t0 =20С.
Усилия, растягивающие трубки и кожух теплообменника и обусловленное
давлением в аппарате P”T, P”К, Н, определили согласно 3,С.152
(52)
Суммарное растягивающее усилие P”, Н, определили согласно 3,С.152
(53)
Тогда
Условия напряжений проверили согласно 3,С.152
(54)
Условие температурных напряжений теплообменника типа ТН выполняется.
Список используемых источников
1 Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. - Л.: Машиностроение, 1981.
2 Михалёв М.Ф. Расчёт и конструирование машин и аппаратов химических производств. - Л.: Машиностроение, 1984.
3 Соколов В.М. Машины и аппараты химических производств.- Л.: Машиностроение, 1982.
4 Чернобыльский И.И. Машины и аппараты химических производств. - М.: Машиностроение, 1975.
2 Механический расчёт теплообменника
2.1 Выбор конструкционных материалов
Для изготовления кожуха, распределительной камеры, крышек теплообменника приняли конструкционный материал согласно [1,C.353] ВСт3сп5 по ГОСТ 14637-79.
Для изготовления трубной решетки теплообменника приняли сталь согласно 1,С.62 16ГС по ГОСТ 8479-70
Для изготовления теплообменных труб приняли конструкционный материал согласно [1,C.353] сталь 20 по ГОСТ 8731-74.
2.3 Определение допускаемых напряжений
Допускаемое напряжение для рабочих условий [], МПа, определяли согласно [2,C.9]
(20)
где - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки;
* - нормативное допускаемое напряжение, МПа.
Поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки принимали согласно [2,C.10]
=1,0
Нормативное допускаемое напряжение принимали согласно [2,C.11]
Допускаемое напряжение при температуре плюс 20С []20, МПа, определяли по формуле (20).
Нормативное допускаемое напряжение при температуре плюс 20С для стали ВСт3сп5 принимали согласно [2,C.11]
Допускаемое напряжение из условия испытания []и, МПа, определяли согласно [2,C.9]
(21)
где т20 - минимальное значение предела текучести при температуре
плюс 20С.
Минимальное значение предела текучести при температуре плюс 20С принимали согласно [2,C.282]
2.5 Определение прибавки к расчётной толщине стенки
Прибавку к расчетным толщинам конструктивных элементов С, м, определяли согласно [2,С.10]
С=С1+С2+С3, (25)
где С1 - прибавка для компенсации коррозии и эрозии,
С2 - прибавка для компенсации минусового допуска,
С3 - технологическая прибавка.
Согласно [2,С.16] прибавки С2 и С3 приняли равными нулю.
Прибавку для компенсации коррозии и эрозии C1, м, определяли согласно [2,C.10]
(23)
где - проницаемость среды в материал, мм/год;
в - срок службы аппарата, лет;
Cэ - прибавка для компенсации эрозии, мм.
Проницаемость среды в материал , мм/год, принимали согласно [2,C.30]
Срок службы аппарата в, лет, принимали согласно [2,C.30]
в=10 лет.
Прибавку для компенсации эрозии принимали согласно [2,C.10-15]
Cэ=0.
Окончательно прибавку для компенсации коррозии и эрозии приняли согласно [2,C.15]
C1=2 мм =0,002 м.
2.6 Расчёт на прочность цилиндрической обечайки
Расчётную толщину стенки цилиндрической части корпуса Sp, м, определяли согласно [2,C.18]
(24)
где Рр - расчётное давление, МПа;
D - внутренний диаметр аппарата, м;
- коэффициент прочности сварного шва;
[] - допускаемое напряжение при рабочих условиях, МПа;
Ри - пробное давление испытания, МПа;
[]и - допускаемое напряжение из условия испытания, МПа.
Коэффициент прочности сварного шва принимали согласно [2,C.13]
= 1,0.
Окончательную толщину стенки цилиндрической части корпуса приняли
S = 0,006 м.
Допускаемое давление при рабочих условиях [P], МПа, определяли согласно [2,C.19]
, (27)
где - коэффициент прочности сварного шва;
[] - допускаемое напряжение при рабочих условиях, МПа;
S - исполнительная толщина стенки, м;
C - прибавка к расчётной толщине стенки, м;
D - внутренний диаметр аппарата, м.
Допускаемое давление при условиях испытания [P]и, МПа, определяли согласно [2,C.19]
, (28)
где - коэффициент прочности сварного шва;
[]и - допускаемое напряжение при условиях испытания, МПа;
S - исполнительная толщина стенки, м;
C - прибавка к расчётной толщине стенки, м;
D - внутренний диаметр аппарата, м.
Должны выполняться следующие условия:
(29)
где Р - рабочее давление, МПа;
[Р] - допускаемое давление при рабочих условиях, МПа;
Ри - пробное давление испытания, МПа;
[Р]и - допускаемое давление при условиях испытания, МПа.
Применимость формул для расчёта на прочность цилиндрической обечайки определяли согласно [2,C.19]
(30)
где S - исполнительная толщина стенки, м;
С - прибавка к расчётной толщине стенки, м;
D - внутренний диаметр аппарата, м.
Выбранные формулы для расчёта на прочность корпуса применимы.
Таким образом, при толщине стенки S=6 мм обеспечивается прочность цилиндрической обечайки теплообменника как в рабочем состоянии, так и при гидравлических испытаниях.
2.8 Определение толщины крышки
Исполнительную толщину крышки Sп, м, определяли согласно [2,С.20]
Sп=Sп.р+C+C0, (38)
где Sп.р - расчетная толщина плоской крышки, м;
С - прибавка к расчетной толщине крышки, м;
С0 - прибавка на округление размера до стандартного значения, м.
Расчетную толщину крышки Sп.р, м, определяли согласно [2,С.20]
Sп.р=max , (39)
где K - коэффициент, учитывающий тип закрепления крышки;
K0 - коэффициент ослабления;
Dp - расчетный диаметр крышки, м;
Pp - расчетное давление в рабочем состоянии, МПа;
- коэффициент прочности сварных швов крышки;
- допускаемое напряжение при расчетной температуре, МПа;
Pu - пробное давление при гидравлическом испытании, МПа;
u - допускаемое напряжение при гидравлических испытаниях, МПа.
Коэффициент К, учитывающий тип закрепления крышки определяли согласно [2,С.22]
(40)
где - коэффициент;
Dб - диаметр болтовой окружности, мм;
Dс.п - средний диаметр прокладки, мм.
Коэффициент определяли согласно [2,С.22]
, (41)
где Rn - реакция прокладки, Н;
Fд - равнодействующая внутреннего давления, Н.
Согласно 1,C.223 приняли плоский приварной фланец.
Материал для плоского приварного фланца приняли согласно 1,C.223 ВСт3сn3.
Согласно 1,C.211 для крепления фланцевых соединений приняли болты.
Материал для болтов фланцевых соединений приняли согласно 1,C.244 Ст40 по ГОСТ 7798
Согласно 1,C.248 приняли плоскую неметаллическую прокладку, материал прокладки асбестовый картон
Наружный диаметр фланца Dф, м, и диаметр болтовой окружности Dб, м, приняли согласно 1, C.234
Dф = 1,13 м,
Dб = 1,09 м.
Средний диаметр прокладки Dс.п, м, определяли согласно 1,C.264
Dc.п = Dн - bп, (42)
где Dн-наружный диаметр прокладки, м;
bп-ширина прокладки, м.
Наружный диаметр прокладки Dн, м, определяли согласно [1,С.264]
Dн = Dб - e, (43)
где Dб-диаметр болтовой окружности, м.
Диаметр болтов dб, м, приняли согласно [1,С.263]
dб = 0,02 м.
Величину e, м, приняли согласно [1,С.264]
е = 0,03 м.
Dн = 1,09 - 0,03 = 1,06 м.
Ширину уплотнительной прокладки bп, м, приняли согласно [1,С. 262]
bп = 0,012 м.
Dс.п = 1,06 - 0,012 = 1,048 м.
Реакцию прокладки Rп, Н, в рабочих условиях определяли согласно [1,С.270]
Rп = 2Dс.пbЕmРр, (44)
где Dс.п-средний диаметр прокладки, м;
bЕ - эффективная ширина прокладки, м;
m-коэффициент;
Рр - расчетное давление, Па.
Эффективную ширину прокладки bЕ, м, определяли согласно [1,С.264]
bЕ = 0,5bп, (45)
где bп - ширина прокладки, мм.
bЕ = 0,50,012 = 0,006 м.
Коэффициент m приняли согласно [1,С.265]
m = 2,5.
Rп = 23,141,0480,0062,50,6106 = 59103 Н.
Равнодействующую внутреннего давления Fд, Н, определяли согласно [1,С.270]
Fд = 0,785Dс.п2Рр, (46)
где Dс.п-средний диаметр прокладки, м;
Рр-расчетное давление, Па.
Fд = 0,7851,04820,6106 = 517103 Н.
Коэффициент ослабления K0 приняли равным единице, так как крышка не ослаблена отверстиями.
sп = 0,00309 + 0,002+0,0011 = 0,034 м.
2.9 Определение толщины трубной решетки
Толщину трубной решетки Sp, м, исходя из условия закрепления труб развальцовкой с обваркой, определяли согласно [1,С.375]
(47)
где dt - наружный диаметр труб, м;
tp - шаг отверстий в решетке, м.
Толщину трубной решетки Sp приняли
Sp = 25 мм.
2.10 Выбор фланцевых соединений
Согласно [2,С.91] приняли плоский приварной фланец.
Так как теплообменник используется при давлении сред 0,6МПа, то согласно [2,С.91] приняли уплотнительные поверхности фланцевых соединений типа выступ-впадина.
2.11 Расчет температурных напряжений
Температуру стенок трубок tT, С, определили согласно 3,С.153
(48)
где 1, 2 - коэффициенты теплоотдачи метана и водяного пара, Вт/(м2ּК);
tСР, СР - средняя температура метана и водяного пара, С.
С.
Так как кожух теплообменника с наружи покрыт изоляцией, то согласно 3,С.153 температуру его стенки приняли
tК = 79С.
Разность температур стенок труб и кожуха определили
Δt= tТ - tК .
Δt=91,6-79=12,6С.
Согласно 3,С.154 разность температур кожуха и трубок не превышает максимально допустимо разности для теплообменников данного типа (ТН).
Площадь сечения трубок ST, м2, определили согласно 3,С.152
ST = ּ(dH-T)ּTּn. (49)
где dН - наружный диаметр труб, м;
T - толщина стенки труб, м;
n - количество труб.
ST = 3,14(0,025-0,002)0,002ּ860=0,124 м2.
Площадь сечения кожуха SК, м2, определили согласно 3,С.152
SК = ּ(D-К)ּК. (50)
где D - внутренний диаметр кожуха, м;
К - толщина стенки кожуха, м.
SК = 3,14(0,994 + 0,006)0,006=0,0188м2.
Усилие растягивающее или сжимающее трубки и кожух и обусловленное температурными деформациями Рт, Рк, Н, определили согласно 3,С.152
(51)
где SK – площадь сечения корпуса, м2;
ST - площадь сечения трубок, м2;
EK - модуль упругости материала корпуса, EK =1,9311011 Па;
ET - модуль упругости материала трубок, ET =1,9181011 Па;
1, 2 - коэффициенты линейного расширения материала кожуха и трубок, 1/С;
t0 - температура аппарату при изготовлении, t0 =20С.
Усилия, растягивающие трубки и кожух теплообменника и обусловленное
давлением в аппарате P”T, P”К, Н, определили согласно 3,С.152
(52)
Суммарное растягивающее усилие P”, Н, определили согласно 3,С.152
(53)
Тогда
Условия напряжений проверили согласно 3,С.152
(54)
Условие температурных напряжений теплообменника типа ТН выполняется.
Список используемых источников
1 Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. - Л.: Машиностроение, 1981.
2 Михалёв М.Ф. Расчёт и конструирование машин и аппаратов химических производств. - Л.: Машиностроение, 1984.
3 Соколов В.М. Машины и аппараты химических производств.- Л.: Машиностроение, 1982.
4 Чернобыльский И.И. Машины и аппараты химических производств. - М.: Машиностроение, 1975.