Материал: Расчет теплообменного аппарата

Аппарат считается выдержавшим гидравлическое испытание при условии, что при осмотре не было обнаружено разрывов, течи, а также видимых остаточных деформаций.

. Механический расчет элементов конструкции теплообменного аппарата

Конструктивный механический расчет обеспечивает прочность элементов в процессе эксплуатации. Для цилиндрических теплообменных аппаратов производится расчет следующих элементов конструкции: толщины стенок корпуса, крышек и днищ; трубных досок; фланцевых соединений.

В качестве материала корпуса используем сталь марки Ст20.

При выполнении расчета за нормативное допускаемое напряжение принимается наименьшее из двух напряжений и :

 МПа;

 МПа,

где  и - значения предела прочности и предела текучести при расчетной температуре, МПа.

Толщина стенки корпуса S цилиндрического аппарата, работающего с избыточным давлением P, определяется выражением:

, м

Величину прибавки С суммируют из трех поправок:

С = С₁ +С₂ +С₃

С₁ - прибавка на коррозию, исходя из условий разъединения материала стенки и срока службы аппарата, м;

С₂ - прибавка на эрозию, если таковая имеет место при работе аппарата, м;

С₃ - прибавка на минусовый допуск по толщине листа, из которого изготовлен корпус, м.

Величина прибавки С принимаем 3 мм;

- коэффициент прочности сварного шва, =0,7 ;

D_вн = 416 мм - внутренний диаметр корпуса;

P_изб = 0,8 МПа;

 м.

Принимаем стандартную толщину стенки S = 5 мм.

Во всех случаях принятая толщина стенки подлежит контрольной поверке на напряжение в ней σ_и при гидравлическом испытании аппарата:

Давление гидравлических испытаний Р_и=р+0,3=0,8+0,3=1,1 МПа.

Днища и крышки изготавливаются из того же металла, что и корпус аппарата. В теплообменных аппаратах чаще всего применяются эллиптические или сферические днища с отбортовкой для обеспечения качественной сварки с цилиндрической части корпуса или крышки.

Расчетная толщина стенки крышки, м, подверженной внутреннему давлению, определяется по формуле:

м

_в =0,16 м - высота выпуклой части крышки, м;

k - коэффициент, ,

d - наибольший диаметр неукрепленного отверстия в крышке;

 - коэффициент прочности сварного шва, ;

С - прибавка на коррозию, м.

Принимаем стандартную толщину стенки S = 5 мм.

Для теплообменных аппаратов жесткой конструкции толщина решетки, м, определяется по выражению

,

где К = 0,162 - конструктивный коэффициент;

р - разница давлений по сторонам доски, Па, принимается равному наибольшему из избыточных давлений теплоносителей:

p = 0,8 МПа;

Коэффициент ослабления доски отверстиями φ определяется по формуле:   - минимальный шаг между отверстиями.

 м

Принимаем толщину трубной решетки 15 мм.

Полученная величина проверяется на допустимые напряжения от изгиба:

МПа

Условие выполняется.

Неукрепленными считаются отверстия под развальцовку, под резьбу, а также отверстия, уплотненные лазовыми лючками или другими затворами, но не имеющие укреплений по контуру.

Наибольший диаметр, м, неукрепленных отверстий сосудов и аппаратов, работающих под давлением не должен превышать предельное значение, определяемое по формуле:

,

- предельный диаметр, м, неукрепленного отверстия. Отверстия, имеющие больший диаметр, укрепляются штуцерами или накладками, либо тем и другим вместе.

S=0,005 м

С_к=0,003 м

S’=0,00185 м

Для корпуса:

м

Расчетная высота, м, внешней части укрепляющего штуцера  и наименьшая толщина стенки штуцера, м, вычисляются по формулам:

Для патрубка по пару:

Площадь сечения отверстия:

м²

м, принимаем S_ш=5 мм

Площадь сечения штуцера:

м;

Условие F_o≤F_ш не выполняется.

Принимаем толщину штуцера 10 мм

м;

 м²

Условие F_o≤F_ш выполняется.

Для патрубка по воде:

Площадь сечения отверстия:

м²

м, принимаем S_ш=5 мм

м;

Условие F_o≤F_ш не выполняется.

Принимаем толщину штуцера 10 мм

м;

 м²

Условие F_o≤F_ш выполняется.

Для конденсатного патрубка:

Площадь сечения отверстия:

м²

м, принимаем S_ш=5 мм

м;

 м²

Условие F_o≤F_ш не выполняется.

Принимаем толщину штуцера 7 мм

м;

 м²

Условие F_o≤F_ш выполняется.

где d - диаметр укрепляемого отверстия, м;

 - нормативное допускаемое напряжение, МПа.

Расчет фланцевых соединений состоит из расчета фланцев и болтов.

Нагрузка на болты в рабочих условиях складывается из силы Q_Р, компенсирующей силу внутреннего давления, и силы R, создающей давление на прокладку, обеспечивающее герметичность соединения, которые определяются по формулам:

 ,

_ср.п. - средний диаметр прокладки;

b - ширина прокладки, м;

q_п - предварительное удельное давление на прокладку, МПа; для прокладок из паронита q = 15 МПа;

Расчет толщины тарелки плоского приварного фланца h для корпуса аппарата.

37324,8 Н;

 Н,

Задаемся диаметром болта D_ш=0,02 м, определяем допускаемую нагрузку, Н, на один болт:

,

, принимаем n_ш=14 шт.

плечи моментов сил, действующих на фланец, м:

для паронитовых прокладок

=0,5(0,464-0,43-0,03)=0,004 м;

=0,5(0,464-0,43)=0,034 м;

=0,5(0,464-0,43-2∙0,005)=0,024;

= 0,005 м - толщина стенки обечайки;

D_вн = 0,416 м - внутренний диаметр обечайки;

D_нф= 0,5 м - наружный диаметр фланца;

D_б=0,464 м - диаметр болтовой окружности

Е=20∙10⁴ МПа - модуль упругости материала фланца, МПа;

- допустимый угол искривления фланца (=4·10^-4 - для паронитовых прокладок).

h=1,5∙=0,028 м

Выбираем стандартный плоский приварной фланец с толщиной тарелки 28 мм, болты М24 в количестве 14 шт.

Расчет толщины тарелки плоского приварного фланца h патрубка для пара.

0,01∙10⁶ Н,

 Н,

Задаемся диаметром шпильки D_ш=0,02 м, определяем допускаемую нагрузку, Н, на одну шпильку:

,

, принимаем n_ш=6 шт.

=0,5(0,138-0,11-0,02)=0,008 м;

=0,5(0,138-0,11)=0,028 м;

=0,5(0,138-0,11-2∙0,004)=0,02;

S= 0,004 м - толщина стенки патрубка;

D_вн = 0,1 м - внутренний диаметр патрубка;

D_нф= 0,154 м - наружный диаметр фланца;

D_б=0,138 м - диаметр болтовой окружности;

Е=20,2∙10⁴ МПа - модуль упругости материала фланца, МПа;

- допустимый угол искривления фланца (=4·10^-4 - для паронитовых прокладок).

h=1,5∙=0,0165 м

Выбираем стандартный плоский приварной фланец с толщиной тарелки 21 мм, болты М20 в количестве 8 шт.

Расчет толщины тарелки плоского приварного фланца h патрубка для воды.

0,027∙10⁶ Н;

 Н,

Задаемся диаметром шпильки D_ш=0,016 м, определяем допускаемую нагрузку, Н, на одну шпильку:

,

, принимаем n_ш=8 шт.

=0,5(0,158-0,13-0,016)=0,012 м;

=0,5(0,158-0,13)=0,028 м;

=0,5(0,158-0,13-2∙0,004)=0,02м;

S= 0,004 м - толщина стенки патрубка;

D_вн = 0,114 м - внутренний диаметр патрубка;

D_нф= 0,174 м - наружный диаметр фланца;

D_б=0,158 м - диаметр болтовой окружности;

Е=20,2∙10⁴ МПа - модуль упругости материала фланца, МПа;

- допустимый угол искривления фланца (=4·10^-4 - для паронитовых прокладок).

h=1,5∙=0,0198 м

Выбираем стандартный плоский приварной фланец с толщиной тарелки 20 мм, болты М20 в количестве 8 шт.

Расчет толщины тарелки плоского приварного фланца h патрубка для конденсата.

2,41∙10³ Н;

 Н,

Задаемся диаметром шпильки D_ш=0,02 м, определяем допускаемую нагрузку, Н, на одну шпильку:

,

, принимаем n_ш=4 шт.

=0,5(0,076-0,05-0,016)=0,01 м;

=0,5(0,076-0,05)=0,016 м;

=0,5(0,076-0,05-2∙0,004)=0,018;

S= 0,004 м - толщина стенки патрубка;