Механический расчёт теплообменника
Автор: student | Категория: Технические науки / Автоматизация | Просмотров: 2162 | Комментирии: 0 | 01-01-2014 23:09
СКАЧАТЬ: teploobmennik.rar [204,54 Kb] (cкачиваний: 26)



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 20С []20, МПа, определяли по формуле (20).
Нормативное допускаемое напряжение при температуре плюс 20С 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 20С.
Минимальное значение предела текучести при температуре плюс 20С 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 = 2Dс.пbЕmРр, (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 = 0,5bп, (45)
где bп - ширина прокладки, мм.
bЕ = 0,50,012 = 0,006 м.
Коэффициент m приняли согласно [1,С.265]
m = 2,5.
Rп = 23,141,0480,0062,50,6106 = 59103 Н.
Равнодействующую внутреннего давления Fд, Н, определяли согласно [1,С.270]
Fд = 0,785Dс.п2Рр, (46)
где Dс.п-средний диаметр прокладки, м;
Рр-расчетное давление, Па.
Fд = 0,7851,04820,6106 = 517103 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 = 79С.
Разность температур стенок труб и кожуха определили
Δt= tТ - tК .
Δt=91,6-79=12,6С.
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 Рт, Рк, Н, определили согласно 3,С.152
(51)
где SK – площадь сечения корпуса, м2;
ST - площадь сечения трубок, м2;
EK - модуль упругости материала корпуса, EK =1,9311011 Па;
ET - модуль упругости материала трубок, ET =1,9181011 Па;
1, 2 - коэффициенты линейного расширения материала кожуха и трубок, 1/С;
t0 - температура аппарату при изготовлении, t0 =20С.

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.