Курсовой проект

По дисциплине: Основы конструирования энергетического оборудования

На тему: Конструкторский и прочностной расчет (Наименование темы)

теплообменного аппарата типа секционный водоводяной подогреватель

Пояснительная записка

1612.10.КП.007.00ПЗ

Руководитель проекта ______________ ____________ ________________

(должность) (подпись) (и., о., фамилия)

Проект допущен к защите ____________________________________________

(подпись руководителя) (дата)

Решением комиссии от «_____» ___________ 2010 г.

признать, что проект

выполнен и защищен с оценкой _________________________________

Архангельск

Федеральное агентство по образованию (Рособразование)

Архангельский государственный технический университет

_________Кафедра промышленной теплоэнергетики_____________

^{(Наименование кафедры)}

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу: «Основы конструирования энергетического оборудования»__ _

студенту: ПЭ факультета II курса 1 группы

______ ___________________Ковальчук И.А.___________________________

ТЕМА: КОНСТРУКТОРСКИЙ И ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЁТ ТЕПЛООМБЕННОГО АППАРАТА типа Водоводяной секционный подогреватель_________

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:_____________________________________________

Расход греющего теплоносителя G ₁=170 т/ч

Давление греющего теплоносителя: Р₁=0,6 МПа

Температура греющего теплоносителя на входе t '₁=95 °С_, на выходе t ''₁=40 °С__

Расход нагреваемого теплоносителя G₂=270 т/ч

Давление нагреваемого теплоносителя: Р₂=0,27 МПа

Температура нагреваемого теплоносителя на входе t '₂=10 °С, на выходе t''₂расчет °С

Дополнительные условия на конструирование: аппарат горизонтальный ____

Z ₂ =1, трубки, прямые латунные 16х1 мм, поверхность теплообмена F=30м²

ОБЪЕМ ЗАДАНИЯ (РАСЧЕТОВ)

1. Краткое описание конструкции аппарата и основных элементов.

2. Гидравлический расчет патрубков/штуцеров и их материальное исполнение.

3. Расчеты на прочность основных конструкторских элементов аппарата с обоснованием принятого конструктивного типа: обечайки (корпуса), жидкостных крышек, трубных решеток, фланцевых соединений, штуцеров, опорных лап, анкерных связей и т.д.

ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Чертеж общего вида аппарата – 1 л.

2. Рабочие чертежи основных элементов – 1 л.

Сроки проектирования с «8» февраля 2010 г. по «20» мая 2010 г.

Руководитель проекта ст. преп. ________ Верещагин А. Ю.

^{(должность) (подпись) (и., о., фамилия)}
ЛИСТ ДЛЯ ЗАМЕЧАНИЙ

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ АППАРАТА И ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 5

2 РАСЧЁТ НЕДОСТАЮЩИХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 9

3 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЁТ ПАТРУБКОВ 11

4 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЁТ КОЖУХО-ТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА 15

5 ВЫБОР СПОСОБА СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОК С ТРУБНЫМИ РЕШЁТКАМИ 19

6 ПРОВЕРКА ШТУЦЕРОВ НА ПРОЧНОСТЬ 20

7 РАСЧЁТ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЕЧАЙКИ 22

8 РАСЧЁТ И ПОДБОР ДНИЩ И КРЫШЕК ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА 25

9 УКРЕПЛЕНИЕ ОТВЕРСТИЙ 28

10 РАСЧЁТ ТОЛЩИНЫ ТРУБНОЙ РЕШЁТКИ 32

11 РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБОК 39

12 ПРОВЕРКА НАПРЯЖЕНИЙ В ОБЕЧАЙКЕ И ТРУБАХ АППАРАТА 40

13 РАСЧЁТ ПРОКЛАДОЧНОЙ ОБТЮРАЦИИ 43

14 РАСЧЁТ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ 45

15 РАСЧЁТ ОПОР АППАРАТА 49

16 РАСЧЁТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ 55

17 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 58

18 ПРИЛОЖЕНИЕ А 59

1 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ АППАРАТА И ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Абонентские водоводяные подогревательные установки выполняются обычно из секционных подогревателей, соединённых последовательно по первичному и вторичному теплоносителям. Общий вид такой подогревательной установки показан на рис.1. В таких установках легко организовать течение первичного и вторичного теплоносителей по схеме противотока и получить достаточно высокие и сравнительно близкие скорости воды в трубках и межтруб­ном пространстве.

Широкое применение на практи­ке находят секционные подогревате­ли типа Теплосети Мосэнерго, изго­товляемые по ОСТ-34-588-68. Основ­ные размеры этих подогревателей приведены в приложении 19. Корпуса этих подогревателей выполняются из стальных труб, а поверхность нагрева из латунных трубок Л-68 диаметром 16/14 мм. Трубные ре­шетки приварены к корпусу подогре­вателя. Подогреватели для горячего водоснабжения изготовляются без линзового компенсатора на корпусе. Проведенные исследования показы­вают, что при использовании этих секционных подогревателей для го­рячего водоснабжения, когда нагре­ваемая вода проходит внутри латун­ных трубок, а греющая — в меж­трубном пространстве и температу­ра греющей среды не превышает 150 °С, нет необходимости в установ­ке на корпусе подогревателя линзо­вых компенсаторов, так как и без них напряжения в стенках трубок и корпусе не выходят за допустимые пределы. При использовании подо­гревателей для отопления греющая вода, как правило, пропускается внутри трубок, а нагреваемая — в межтрубном пространстве. Для компенсации температурных дефор­маций на корпусе компенсатора дол­жен быть установлен линзовый ком­пенсатор. Допускаемое рабочее дав­ление: внутри трубок подогревателя 1 МПа, в межтрубном пространстве без линзового компенсатора на кор­пусе 1 МПа, при наличии линзового компенсатора 0,7 МПа.

В водоводяных подогревателях достигаются обычно довольно высо­кие коэффициенты теплопередачи [примерно 1000—1500 Вт/(м²-К)]. Интенсивность теплопередачи в подогревателе зависит также от качества изготовления трубного пучка. Необходимо, чтобы вода, проходящая через межтрубное пространство, равномерно омывала все трубки подогревателя, для чего должны быть выдержаны зазоры между трубками, необходимо в середине секций устанавливать под трубками опорные перегородки.

Без опорных перегородок трубки прогибаются, и зазоры между ними теряются, что приводит к заметному снижению тепловой производитель­ности подогревателей.

Кроме секционных подогревате­лей в системах теплоснабжения в последние годы начали применять в опытном порядке пластинчатые теплообменники, изготовляемые как нашей промышленностью, так и за­рубежными фирмами. В СССР стальные пластинчатые теплообменники выпускаются Пав­лодарским и Уральским заводами химического машиностроения с площадью поверхности нагрева от 10 до 160 м² на рабочее давление 1 МПа.

Поверхность нагрева этих подо­гревателей состоит из тонкостенных низколегированных штампованных гофрированных пластин разного профиля. Потоки грею­щей и нагреваемой воды проходят через теплообменник противотоком с обеих сторон пластины, между ко­торыми образуются системы кана­лов сложной формы, способствую­щие турбулизации протекающих по­токов и росту коэффициентов тепло­передачи.

Все пластины теплообмена ском­понованы в виде пакета, как листы в книге, и зажаты с помощью за­жимных болтов, между двумя тор­цевыми несущими плоскими сталь­ными плитами. Греющий и нагре­ваемый потоки воды подведены с одной и той же стороны торцевой плиты.

Преимущества пластинчатых теплообменников заключаются в по­вышении интенсивности теплопере­дачи, компактности (около 100 м² в 1 м³), высокой плотности — исклю­чена возможность перетекания теп­лоносителя из одной полости (на­пример, греющей) в другую (напри­мер, нагреваемую). Эксплуатация пластинчатых подогревателей про­ста, так как они легко разбираются. Пластины могут очищаться от на­кипи и загрязнений или заменяться.

Эскиз водоводяного подогревателя по ОСТ приведен на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Водоводяной подогреватель.

1 – обечайка; 2 – патрубок входа вторичной воды; 3 – патрубок выхода вторичной воды; 4 – трубная решетка; 5 – патрубок входа первичной воды; 6 – патрубок выхода первичной воды; 7 – жидкостная крышка; 8 – теплообменная трубка

2 РАСЧЁТ НЕДОСТАЮЩИХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Недостающие параметры находим из уравнения теплового баланса. Так как оба теплоносителя не меняют своего агрегатного состояния (вода-вода), то уравнение теплового баланса будет иметь вид:

, (2.1)

где Q — тепловая нагрузка аппарата, кВт;

G — массовый расход теплоносителя, кг/с;

h =0.97..0.99 — коэффициент удержания теплоты изоляцией аппарата;

с — удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг×° С);

индексы:

1 — греющие теплоноситель;

2 — нагревающий теплоноситель;

апострофы:

` — на входе;

``— на выходе.

Известны следующие параметры:

для греющего теплоносителя (воды):

расход т/ч;

температура на входе ° С;

температура на выходе ° С;

удельная теплоемкость воды с₁ = 4,188 кДж/(кг×° С) при средней темпе-

ратуре воды ° С;

для нагреваемого теплоносителя (воды):

расход т/ч;

температура на входе ° С;

удельная теплоемкость воды с₂ = 4,180 кДж/(кг×° С) при средней темпе-

ратуре воды ° С;

h выбираем равным 0,98;

Из уравнения теплового баланса получаем:

(2.2)

3 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЁТ ПАТРУБКОВ

Патрубки предназначены для ввода и вывода теплоносителей из аппарата. Патрубок представляет собой отрезок трубы стандартных параметров, требуемого материального исполнения.

Расчет внутреннего диаметра патрубка выполняется по уравнению сплошности:

,

где G - массовый расход теплоносителя через патрубок, кг/с;

r - плотность теплоносителя при температуре в патрубке, кг/м³;

w - скорость теплоносителя в патрубке, м/с;

f - площадь внутреннего поперечного сечения патрубка, м²;

Площадь поперечного сечения равна:

, (3.1)

где d_вн - внутренний диаметр патрубка.

Отсюда внутренний диаметр можно вычислить по формуле:

(3.2)

3.1 Для греющего теплоносителя (вода) патрубки для впуска и выпуска в целях унификации принимаем с одинаковыми диаметрами:

(3.3)

м,

где - принятое рекомендуемое значение скорости для воды в патрубке

r₁ =979 кг/м³ – плотность теплоносителя в патрубке при средней температуре t_ср1=67,5 °С.

Округляя полученное значение для d_вн до стандартного значения D_у, приводимого в таблице 3.5 [2], подбираем трубу стальную бесшовную горячедеформированную по ТУ 14-3-190-82, материал: Сталь 20 по ГОСТ 1050-74

D_у = 200 мм – условный диаметр патрубка;

D_н = 219 мм – наружный диаметр патрубка;

S = 6 мм – толщина стенки патрубка;

Р_у =0,6 МПа – условное давление.

3.2 Аналогично для нагреваемого теплоносителя (вода):

(3.4)

м,

где - скорость нагреваемой воды в трубках;

r₂ =996 кг/м³ – плотность теплоносителя в патрубке при средней температуре t_ср2=27 °С.

Труба стальная бесшовная горячедеформированная по ТУ 14-3-190-82, материал: Сталь 20 по ГОСТ 1050-74

D_у = 250 мм – условный диаметр патрубка;

D_н = 273 мм – наружный диаметр патрубка;

S = 8 мм – толщина стенки патрубка;

Р_у =0,27 МПа – условное давление.

3.3 По известным значениям выбираем по таблице 20.9 [4] стандартные фланцы к патрубкам. Эскиз плоского приварного фланца изображен на рисунке 3.1. Тип фланцев – стальные плоские приварные ГОСТ 1255 – 54. Основные размеры патрубков и фланцев приведены в таблице 3.1.

Длину патрубков назначают из стандартного ряда, приводимого в справочнике [4] по таблице 30.42. Длину принято назвать вылетом патрубка. Рекомендованные вылеты фланцевых патрубков указаны в таблице 3.1, а эскиз патрубка с фланцем приведен на рисунке 3.2.

Таблица 3.1 Основные размеры патрубков.

Патрубок

Ру, МПа

Dу

Dн

S

Dф

Dб

dб

d

Z, шт

D1

h

l

мм

мм

Греющего теплоносителя

0,6

М16

Нагреваемого теплоносителя

0,27

М16

Рисунок 3.1 - Фланец плоский приварной

Рисунок 3.2 - Патрубок

4 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЁТ КОЖУХО-ТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Целью данного расчета является определение основных габаритных размеров теплообменника, в частности, диаметра трубной решетки по центрам наружного ряда трубок и активной длины трубок, определение числа трубок в аппарате и разбивка их в трубной решетке по одной из применяемых схем. По выполнении компоновки трубного пучка, подбираются фланцы нижней жидкостной крышки и корпуса аппарата.

4.1 Определяем площадь поперечного сечения f_X трубок одного хода из уравнения сплошности:

(4.1)

где G – массовый расход нагреваемого теплоносителя, кг/с;

r - плотность нагреваемого теплоносителя при температуре среды в трубке, м²;

w – скорость нагреваемого теплоносителя в трубке, м/с.

4.2. Определяем количество трубок в одном ходу n_X аппарата по формуле:

(4.2)

По условиям на конструирование используем трубки латунные Æ16´1 мм, то есть d_вн =14 мм. Получаем количество трубок:

4.3 Так как проектируемый аппарат является одноходовым z=1, то общее число трубок m также будет равно:

(4.3)

4.4 В водоподогревателях по ОСТ применяется разбивка трубок по концентрическим окружностям (рисунок 4.1). Назначаем шаг разбивки трубной решетки по рекомендациям:

(4.4)

Принимаем шаг разбивки S = 23 мм.

Рисунок 4.2 - Разбивка трубной решетки по концентрическим окружностям.

4.5 Действующее значение D_тр находят в результате компоновочного построения поперечного сечения теплообменника на миллиметровке. Вычисляем ориентировочно диаметр трубной решетки D_тр по центрам наружного ряда трубок:

(4.5)

где h_тр – коэффициент заполнения трубками трубной решетки, для одноходовых аппаратов принимаем h_тр=1.

Принимаем разбивку трубной решетки по концентрическим окружностям. Диаметры обечайки принимаем равные D_у=400 мм, D_н=426 мм соответствующие стандартным размерам обечаек. Разбивка трубной решетки – Приложение А.

4.6 Площадь поверхности теплообмена трубного пучка F, м² составляет:

(4.6)

откуда активная длина l, м будет равна:

, (4.7)

где d_р — расчетный диаметр трубок, мм.

При одинаковой по сторонам трубок теплоотдаче d_р принимают:

мм (4.8)

м.

4.7 Выполняем проверку конструктивности. Должно выполняться условие:

, (4.9)

т.к.

то условие верно.

5 ВЫБОР СПОСОБА СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОК С ТРУБНЫМИ РЕШЁТКАМИ

В настоящее время наиболее распространенным способом соединения трубок с трубной решеткой является развальцовка в том или ином конструктивном исполнении. Отбортовка выступающих концов усиливает прочность соединения и обеспечивает плавный вход жидкости в трубки, снижая местные гидравлические сопротивления. На рисунке 5.1 показана развальцовка трубки с отбортовкой выступающих концов.

Рисунок 5.1 - Развальцовка с отбортовкой выступающих концов.

6 ПРОВЕРКА ШТУЦЕРОВ НА ПРОЧНОСТЬ

Толщина стенки патрубка, нагруженного избыточным давлением, определяется по формуле:

, м (6.1)

где Р_р - расчетное давление в патрубке, МПа;

d_н – наружный диаметр патрубка, м;

φ₁ – коэффициент прочности сварного шва;

[σ]₁ – допускаемое напряжение для материала патрубка.

Коэффициент прочности сварного шва принимается равным φ₁=1, так как штуцер является монолитным.

6.1 Патрубок для греющего теплоносителя:

Р₁=0,6 МПа;

d_н=219 мм.

Допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках:

,

где η – поправочный коэффициент, принимается равным η=1.

σ^* - нормативное допускаемое напряжение

Для материала патрубка сталь 20 при t_1ср=67,5˚С по ГОСТ 14249 - 73 табл. 1.3 [6] нормативное допускаемое напряжение равно σ^*=144 МПа.

м.

Исполнительная толщина:

(6.2)

где С=С₁+С₂+С₃ (6.3)

С₁ – прибавка при компенсации допусков на толщину листа, принимаем С₁ =1 мм,

С₂ – прибавка на коррозию.

С₂ = υ_к^. τ,

где υ_к – скорость коррозии мм/год, υ_к=0,2 мм/год; t- время эксплуатации теплообменника, лет; t = 15 лет;

С₂ = 0,2^. 15 =3,0 мм;

С₃ – принимаем конструктивно 3,24 мм

С=1+3,0+3,24=7,24 мм.

С учетом всех прибавок окончательно толщину штуцера принимаем

Патрубок для нагреваемого теплоносителя

Р₂=0,27 МПа,

d_н=273 мм.

Допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках:

, (6.4)

где η – поправочный коэффициент, принимаем равным η=1.

σ^* - нормативное допускаемое напряжение.

Для материала патрубка сталь 20 при t_2ср=27˚С по ГОСТ 14249 - 73 табл. 1.3. [6] нормативное допускаемое напряжение равно σ^*=146,56 МПа

;

м; (6.5)

(6.6)

где С=С₁+С₂+С₃ (6.7)

С₁ – прибавка при компенсации допусков на толщину листа, принимаем С₁ =1 мм

С₂ – прибавка на коррозию.

С₂ = υ_к^. τ,

где υ_к – скорость коррозии мм/год, υ_к=0,2 мм/год;

t- время эксплуатации теплообменника, лет; t = 15 лет;

С₂ = 0,2^. 15 =3,0 мм;

С₃ – принимаем конструктивно 3,75 мм;

С=1+3,0+3,75=7,75мм (6.8)

С учетом всех прибавок окончательно толщину штуцера принимаем

7 РАСЧЁТ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЕЧАЙКИ

Толщина стенки аппарата, находящегося под внутренним избыточным давлением, определяется по формуле:

, (7.1)

где Р₁ – давление в межтрубном пространстве, МПа;

[σ] – допускаемое напряжение для материала обечайки, МПа;

D_вн – внутренний диаметр обечайки, м;

φ – коэффициент прочности сварного шва.

Коэффициент прочности сварного шва φ назначается в зависимости от типа сварки. Выбираем автоматическую дуговую сварку и принимаем φ=1.

Исполнительная толщина стенки обечайки определяется по формуле:

(7.2)

где С₁ – прибавка при компенсации допусков на толщину листа, принимаем С₁=1 мм;

С₂ – прибавка на коррозию.

С₂ = υ_к^. τ,

где υ_к – скорость коррозии мм/год, υ_к=0,2 мм/год;

t- время эксплуатации теплообменника, лет; t = 15 лет;

С₂ = 0,2^. 15 =3,0 мм;

С₃ – прибавка, назначаемая конструктивно, принимаем С₃=2,16 мм.

С=1+3,0+2,16= 6,16 мм; (7.3)

Р₁=0,6 МПа;

D_вн=0,400 м.

, (7.4)

где η – поправочный коэффициент, учитывающий характер эксплуатации аппарата, принимаем равным η=1.

σ^* - нормативное допускаемое напряжение.

Для материала обечайки сталь 20 при t_1ср=67,5˚С по ГОСТ 1050-74 табл. 1.3 [6] нормативное допускаемое напряжение равно σ^*=144 МПа

м.

С учетом всех прибавок окончательно толщину стенки обечайки принимаем

8 РАСЧЁТ И ПОДБОР ДНИЩ И КРЫШЕК ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Наиболее распространенной формой днищ в сварных аппаратах являются эллиптические днища. Они могут иметь отбортованную часть или она может отсутствовать. Наиболее распространенной формой днищ является эллиптическая с отбортовкой на цилиндр. Днище, снабженное фланцем, является крышкой. Все размеры эллиптических днищ регламентированы ГОСТ 6533-78*. Эскиз эллиптического днища показан на рисунке 8.1. Схема расположения патрубков в эллиптической крышке приведена на рисунке 8.2.

Рисунок 8.1 - Эллиптическое днище.

Рисунок 8.2 - Схема расположения патрубка в эллиптической крышке

8.1 Расчет и подбор левого и правого эллиптического днища.

Левое и правое днище аппарата в целях унификации принимаем одинаковыми. Расчетная толщина стенки эллиптического отбортованного днища, нагруженного внутренним давлением, определяется по формуле:

, (8.1)

где Р₂ =0,27 – внутреннее давление на днище, МПа;

R – радиус кривизны днища, м;

[σ] – допускаемое напряжение для материала днища, выбираемое по его температуре, МПа;

φ – коэффициент прочности сварного шва.

Радиус кривизны для стандартного эллиптического днища принимается равным по внутреннему диаметру обечайки, т.е.

мм.

Коэффициент прочности сварного шва принимается равным φ=1, так как днище получено как единое целое.

,

где η – поправочный коэффициент, учитывающий характер эксплуатации аппарата, принимаем равным η=1.

σ^* - нормативное допускаемое напряжение

Для материала днища сталь 20 при t₂=27˚С по ГОСТ 14249-73 табл. 1.3 [6] нормативное допускаемое напряжение равно σ^*=146,56 МПа

Исполнительная толщина днища определяется по формуле

(8.2)

где С₁ – прибавка при компенсации допусков на толщину листа, принимаем С₁=1 мм.

С₂ – прибавка на коррозию, принимаем С₂ = 3,0 мм;

С₃ – прибавка, назначаемая конструктивно, принимаем С₃=2,06 мм;

С=1+3,0+2,06=6,06 мм (8.3)

С учетом прибавок толщину днища принимаем равной S_и=7 мм.

Условие прочности для стенки днища S_и³S_р.

Так как , то условие прочности для стенки днища выполняется.

Тогда по ГОСТ 6533-68*, таблица 16.3[6], выбираем базовые размеры эллиптического отбортованного стального днища.

Высоту выпуклой части h_в принимаем равной h_в=99 мм. Площадь внутренней поверхности днища F_в=0,207 м². Емкость днища V=0,0116 м³. Диаметр заготовки D=527 мм. Масса днища m=17,1 кг.

9 УКРЕПЛЕНИЕ ОТВЕРСТИЙ

Отверстия в стенках обечаек, днищ и крышек цилиндрических аппаратов, которые вырезаются для установки штуцеров, патрубков, контрольно-измерительных приборов и регулирования аппарата, ослабляют сечения и вызывают существенную концентрацию напряжений вблизи краев отверстий. Компенсации прочности можно достичь путем усиления оболочки в некоторой зоне, расположенной вблизи отверстия, или увеличением толщины стенки по всей ее поверхности. Первый вариант не требует больших затрат, поэтому предпочтительней. Наиболее широко применяется установка усиливающих колец. Материал кольца принимается тем же, что и усиливаемого элемента.

Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий установлены ГОСТ 24755-81.

Наибольший диаметр d_пред одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, определяется по формуле:

, (9.1)

где S – исполнительная толщина укрепляемого элемента, мм;

D_R – расчетный диаметр, мм;

S_Р – расчетная толщина укрепляемого элемента, мм.

С₂ – прибавка на коррозию стенки штуцера, мм.

9.1 Проверка необходимости укрепления отверстий для патрубков греющего теплоносителя:

Для цилиндрической обечайки расчетный диаметр D_R равен внутреннему диаметру D_вн обечайки:

S=7 мм;

С₂=3,0 мм;

D_R=D_вн=400 мм;

S_р=0,84 мм.

9.2 Проверка необходимости укреплений отверстий для патрубков нагреваемого теплоносителя:

Для эллиптических днищ расчетный диаметр определяется по формуле:

, (9.2)

где D_вн – внутренний диаметр обечайки, мм

Х – смещение оси патрубка от оси днища, мм

Х=0

D_R=2D_вн

S=7 мм

D_R=D_вн=400 мм

S_р=0,84мм

Если , то отверстие требует укрепления, но независимо от полученных расчетов, в случае если , то такие отверстия подлежат укреплению.

Таким образом укрепляем все отверстия.

9.3 Расчетный коэффициент:

, (9.3)

где Р_р – расчетное давление среды, МПа

[σ] – допускаемое напряжение для обечайки, МПа

D_вн – внутренний диаметр обечайки, мм

S – толщина стенки укрепляемого элемента, мм

С – прибавка к расчетной толщине, мм

Р_р=0,27 МПа

D_вн=400 мм

[σ]=146,56 МПа

S=7 мм

С=5,4 мм

9.4 Ширина зоны укрепления отверстий В_о, мм, определяется по формуле:

, (9.4)

где D_вн – внутренний диаметр обечайки, мм;

S – исполнительная толщина стенки обечайки, мм;

С – прибавка к расчетной толщине стенки обечайки, мм.

Для обечайки:

Для днищ:

9.5 Расстояние от края цилиндрической обечайки до оси отверстия для патрубка х_о, м:

х_о³0,5(В_о+d_вн), (9.5)

где d_вн – внутренний диаметр патрубка, мм.

Для патрубков греющего теплоносителя:

х_о³0,5×(32+200)=116 мм.

Для патрубков нагреваемого теплоносителя:

х_о³0,5×(45+250)=147,5 мм.

9.6 Диаметр укрепляющего кольца D_к, м, определяется из расчета:

D_к=(1,8¸2,0)d_о, (9.6)

где d_о – диаметр отверстия под патрубок, мм.

Для патрубков греющего теплоносителя:

D_к=2× 219=438 мм.

Для патрубков нагреваемого теплоносителя:

D_к=2× 273=546 мм.

9.7 Действительная толщина укрепляющего кольца S_к определяется по формуле:

, (9.7)

где S – исполнительная толщина укрепляемого элемента, мм.

Для патрубков греющего теплоносителя:

мм.

Для патрубков нагреваемого теплоносителя:

мм.

10 РАСЧЁТ ТОЛЩИНЫ ТРУБНОЙ РЕШЁТКИ

Трубная решетка предназначена для прочного и плотного крепления в ней труб с целью разграничения пространства с греющей и нагреваемой средой, то есть разграничение трубного и межтрубного пространства.

10.1 Толщина трубной решетки по методике ВНИИНефтемаш

Произведем расчет толщины трубной решетки по методике ВНИИНефтемаш (руководящий документ РД 26-14-88). Для расчета введем обозначения вспомогательных величин:

а – внутренний радиус обечайки, м,

,

где D_вн – внутренний диаметр обечайки

,

а₁ – расстояние от оси обечайки до центра наиболее удаленной трубки, м

по компоновке трубного пучка (рисунок 4.1) принимаем а₁=0,230 мм.

m_n – характеристика беструбной зоны,

i=245 – общее количество трубок в аппарате, штук.

d_н=0,016 – наружный диаметр трубок, м.

d_о= d_н[1+(0,016..0,02)] – диаметр отверстий в трубной решетке под трубки, м

принимаем d_о=0,0163 м.

d=0,001 - толщина стенки теплообменной трубки, м.

Коэффициенты влияния давления на трубную решетку h_м, h_т:

; (10.1)

(10.2)

Коэффициент ослабления трубной решетки отверстиями j_р:

, (10.3)

где t=0,023 – шаг разбивки трубок в трубной решетке, м.

Коэффициент жесткости перфорированной плиты y_о принимаем равным y_о=0,37.

Модуль упругости К_у, МПа/м, системы труб вычисляется по формуле:

, (10.4)

где Е_т – модуль продольной упругости трубок,

в качестве материала трубок выбираем Латунь Л63 ГОСТ 1020-77Е,

по таблице IХ[5] принимаем Е_т=1,069×10^-5 МПа;

l_т – половина длины труб, м

принимаем l_т=1,30 м.

Приведенное отношение жесткости труб к жесткости обечайки r:

, (10.5)

где Е_о – модуль продольной упругости обечайки, МПа,

по таблице VII[5] принимаем Е_о=1,95×10^-5 МПа;

S_о – толщина стенки обечайки, м.

Коэффициенты изменения жесткости системы «труба-обечайка» К_p и K_q:

Для аппаратов с неподвижными трубными решетками принимаем К =0;

K =0

Коэффициенты линейного расширения a_о и a_т, К^-1, определяются по формулам:

, (10.6)

где t_о – расчетная температура стенки обечайки, ° С.

, (10.7)

где t_T – расчетная температура теплообменных трубок, ° С.

.

.

Приведенное давление Р_о, МПа, определяется по формуле:

,(10.8)

где t_c – температура сборки аппарата,

принимаем t_c=20 ° С.

m_ср – вспомогательный коэффициент,

, (10.9)

где S_т – толщина стенки трубы, м.

.

Расчетная толщина трубной решетки S , м, определяется по формуле:

, (10.10)

где - некоторый коэффициент,

,

где ; (10.11)

; (10.12)

[s]_А – допускаемое амплитудное напряжение, МПа,

принимаем [s]_А=550 МПа.

.

.

Тогда по рисунку 8.11 [7] принимаем .

м.

Исполнительная толщина трубной решетки S₂, м:

S₂= S +C,

где С – поправка к расчетной толщине, м

принимаем С=0,003 м.

S₂=0, 122+0,003=0,125 м.

10.3 Проверка толщины трубной решетки

Толщина стальных трубных решеток должна удовлетворять условию:

.

.

Для изготовления трубной решетки выбираем по таблице 2.22 [6] сталь прокатную толстолистовую ГОСТ 5681-57. Толщина листа S=12 мм. Материал: Сталь20 ГОСТ1050-74*.

10.4 Определение необходимой глубины вальцовки

Высота вальцовки труб в трубной решетке l_В, м, определяется по формуле:

,

где [q] – допускаемая нагрузка, приходящаяся на единицу условной поверхности развальцовки, МПа,

для развальцовки с отбортовкой назначаем [q]=50 МПа;

N_т – осевое усилие, действующее на трубку в месте развальцовки, МН,

, (10.13)

где Р_о – приведенное давление, МПа;

f_2р – некоторый коэффициент,

, (10.14)

где z – некоторый коэффициент,

, (10.15)

где S_o – исполнительная толщина стенки обечайки, м;

В¢ - некоторый коэффициент,

. (10.16)

.

.

.

.

Необходимое условие для толщины трубной решетки S³ l_В выполняется:

0,012 м ³ 0,0038 м.

10.5 Толщина решетки в месте уплотнения под кольцевую прокладку S^рп, м, должна удовлетворять условию:

, (10.17)

где Р – максимальное избыточное давление на трубную решетку, МПа;

[s] – допускаемое напряжение материала решетки на растяжение, МПа;

D_в – внутренний диаметр прокладки, м;

D_н – наружный диаметр прокладки, м;

D_сп – средний диаметр прокладки, м,

, (10.18)

.

Условие S³S^рп выполняется:

0,012 м ³ 0,005 м.

Эскиз сечения решетки в месте прокладочного уплотнения изображен на рис.10.1

Рис.10.1 - Сечение решетки в месте прокладочного уплотнения

11 РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБОК

11.1 Проверка теплообменных трубок на прочность

Расчетные напряжения в осевом направлении s_1т, МПа, в трубах составляют:

, (11.1)

где S_T – толщина стенки трубки, м.

.

Расчетные напряжения в окружном направлении s_2т, МПа, в трубах составляют:

, (11.2)

.

Условие статической прочности труб:

, (11.3)

где [s]^Т – допускаемое напряжение для материала трубки, МПа,

по таблице 1.5[5] принимаем [s]^Т=107,8 МПа.

.

Таким образом, условие статической прочности труб выполняется.

12 ПРОВЕРКА НАПРЯЖЕНИЙ В ОБЕЧАЙКЕ И ТРУБАХ АППАРАТА

На обечайку аппарата кроме избыточного внутреннего давления действуют еще и температурные усилия. При различных температурах нагрева труб и обечайки деформации в свободном состоянии оказались бы различными, однако жесткое соединение труб с обечайкой через трубные решетки не допускает свободных деформаций, что и обуславливает температурные усилия. Предположим, что трубные решетки не деформируются, а следовательно, температурные усилия равномерно распространяются на все трубы.

12.1 Осевые усилия от действия среды

Осевые усилия Q¢, МН, возникающие под действием среды и стремящиеся раздвинуть трубные решетки и разорвать трубки, выражаются формулами:

; (12.1)

, (12.2)

где Q_T¢ - осевое усилие, возникающее в трубах от давления среды и отрывающее их от трубной решетки, МН

; (12.3)

F_T – площадь поперечного сечения всех трубок аппарата, м²

; (12.4)

F_О – площадь поперечного сечения обечайки аппарата, м²

; (12.5)

Q_о¢ - осевое усилие, возникающее в обечайке от давления среды и отрывающее ее от трубной решетки, МН

; (12.6)

.

.

.

.

12.2 Осевые напряжения, отражающие действия давления среды

Осевые напряжения в обечайке s_о¢, МПа, и трубах s_т¢, МПа, аппарата, отражающие действия давления среды в трубном и межтрубном пространстве выражаются формулами:

; (12.7)

; (12.8)

;

.

12.3 Температурные усилия от действия среды

Температурные усилия в трубах Q_т¢¢, МН, и обечайке Q_о¢¢, МН, определяются по формулам:

; (12.9)

; (12.10)

;

;

12.4 Температурные напряжения в трубах и обечайке

Температурные напряжения в трубах s_т¢¢, МПа, и обечайке s_о¢¢, МПа, составят:

; (12.12)

; (12.13)

;

;

12.5 Полные напряжения в трубах и обечайке

Условия прочности для жесткотрубного аппарата записываются в виде:

; (12.14)

; (12.15)

64+3,8=67,8 МПа £ 146,5 МПа;

48+2=50 МПа £ 66,6 МПа;

Условия прочности для проектируемого аппарата выполняются.

13 РАСЧЁТ ПРОКЛАДОЧНОЙ ОБТЮРАЦИИ

Обтюрация достигается сжатием с определенной силой, обеспечивающей герметичность уплотняемых поверхностей непосредственно друг с другом или посредством расположенных между ними прокладок из более мягкого материала.

Для герметичности соединения обечайки с жидкостными крышками используем прокладки типа 1. Тип обтюрации – I-А. Обтюрация типа I-А изображена на рисунке 13.1. Расчетная сила осевого сжатия для прокладок типа I определяется по формуле:

, (13.1)

где D_сп – средний диаметр прокладки, м;

P – расчетное давление среды, воздействующей на фланцевое соединение, МПа,

K – коэффициент, зависящий от материала прокладки и ее конструкции,

для паронита K=2,5;

b_экв – эффективная ширина уплотнения, м

, (13.2)

b – ширина прокладки, м

; (13.3)

.

.

Р_п¢=3,14*×0,413*×0,00432*×0,6*×2,5=0,084 МН.

Рисунок 13 - Обтюрация типа I-А:

1 - прокладка; 2 – уплотняемые поверхности.

14 РАСЧЁТ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ

В качестве фланца проектируемого аппарата по таблице 20.10[6] выбираем плоский приварной фланец. Материал фланца: Сталь 20. Базовые размеры выбранного фланца сведены в таблицу 14.1. Эскиз плоского приварного фланца для аппаратов с указанием базовых размеров представлен на рисунке 14.1.

Таблица 14.1 Базовые размеры плоского приварного фланца для аппарата

Dвн, мм	D, мм	DБ, мм	D1, мм	dБ, мм	d, мм	z, штук	h, мм
				М16

Цель расчета – определение расчетной толщины фланца и сравнение ее с толщиной, заданной по ГОСТ.

Рисунок 14.1 Эскиз плоского приварного фланца для аппарата

Приведенная нагрузка на фланец Р₁, МН, при затяжке соединения определяется по формуле:

, (14.1)

где k – некоторый коэффициент,

; (14.2)

.

Расчетное растягивающее усилие в болтах Р¢_Б1, МН, при затяжке соединения определяется по формуле:

, (14.3)

где a - константа жесткости соединения, принимаем по таблице 20.28[6] для паронита a=1,45; Р¢_С – расчетное усилие от давления среды, МН,

; (14.4)

;

;

.

Приведенная нагрузка на фланец Р₂, МН, при рабочих условиях определяется по формуле:

; (14.5)

Расчетное растягивающее усилие в болтах Р¢_Б2, МН, при рабочих условиях определяется по формуле:

; (14.6)

;

;

Вспомогательная величина при затяжке соединения Ф₁, м ², определяется по формуле:

, (14.7)

где - предел текучести материала фланца при температуре сборки, МПа,

по таблице I[5] принимаем .

.

Вспомогательная величина при рабочих условиях Ф₂, м², определяется по формуле:

, (14.8)

где - предел текучести материала фланца при рабочей температуре, МПа,

по таблице I[5] принимаем ;

y₁ – некоторый коэффициент,

по рисунку 21.8[6] принимаем y₁=1,08.

.

Вспомогательная величина А, м², определяется по формуле:

, (14.9)

где S₁ – толщина стенки обечайки в месте присоединения фланца, м;

y₂ – некоторый коэффициент,

по рисунку 21.9[7] принимаем y₂=13

.

Вспомогательная величина Ф, м², определяется по формуле:

Ф=max{Ф₁;Ф₂}; (14.10)

Ф=max{0,0005;0,00049}=0,00049 м²;

При расчетная высота плоского фланца h¢¢, м, определяется по формуле:

; (14.11)

;

Полная высота фланца h¢, м, с учетом образующего выступа на прокладку составит:

м; (14.12)

h¢=0,0011+0,003=0,0041 м;

Стандартная высота фланца h меньше расчетной высоты h¢, следовательно конструктивно увеличиваем высоту, плоского приварного фланца для проектируемого аппарата до значения h=0,02 м.

15 РАСЧЁТ ОПОР