Расчет по выбору основных размеров теплообменного аппарата

Для шпилек из стали Ст 38ХН3МФА кп 685 при Т=200⁰С:

МПа,

где  n_р0,2 = 2.

Необходимые данные для выше приведенного расчета находим по таблице П 1.1. [1]

2.3 Давление гидроиспытания

Давление  гидроиспытания определяем, исходя из следующей формулы:

;

МПа.

 

 

3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАЗМЕРОВ ОСНОВНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЧАСТЕЙ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА И РАСЧЕТ ИХ НА ПРОЧНОСТЬ

 

 3.1 Цилиндрическая обечайка

Рассчитаем  толщину стенки. Толщину стенок цилиндрических, конических обечаек и выпуклых днищ определяют по ниже приведенной формуле. Расчетная толщина стенки при заданном (расчетном) давлении определяется:

 

Значение  коэффициентов m₁, m₂ , m₃  находим по таблице П 4.2 [1]: m₁ = 2, m₂ = 1,         m₃ = 1; примем =0,8.

Найдем суммарную прибавку к  расчетной толщине цилиндрической обечайки:

С₁₁=1,1мм – прибавка к толщине стенки, равная отрицательному допуску, таблица 1.4 [2],

C₁₂= 0 мм – прибавка к толщине стенки, компенсирующая возможные утонение стенки полуфабриката при изготовлении.

С₂ = 0,1мм – прибавка к толщине стенки, учитывающая утонение стенки за счет всех видов коррозии за срок службы изделия т.е. проектируемого теплообменного аппарата по таблице 4.1 [1].

С=С₁ +С₂ =С₁₁+С₁₂+С₂=1,1+0+0,1=1,2мм

Тогда толщина стенки цилиндрической обечайки:

= 30,56 +1,2 =31,76 мм.

Принимаемая номинальная толщина  стенки должна удовлетворять следующему условию: , принимаем

Найдем средний диаметр цилиндрической обечайки:

Определим наибольший допускаемый диаметр неукрепленного одиночного отверстия.

Для этого найдем минимальный допускаемый коэффициент снижения прочности:

Так как  то диаметр отверстия не превышает допустимый, т.е. отверстие укреплять не нужно.

Теперь уточним  расчетный коэффициент снижения прочности, который равен ;

- коэффициент снижения прочности  сварных швов (определяем по таблице 4.5[1] в зависимости от объема дефектоскопического контроля 25%);

- коэффициент снижения прочности  цилиндрической обечайки с неукрепленным отверстием.

Значит как и было принято в первом приближении.

 

3.2 Цилиндрическая обечайка (водяная камера)

Рассчитаем  толщину стенки. Толщину стенок цилиндрических, конических обечаек и выпуклых днищ определяют по ниже приведенной формуле. Расчетная толщина стенки при  давлении Р=0,3 Мпа определяется:

 

Значение  коэффициентов m₁, m₂ , m₃  находим по таблице П 4.2 [1]: m₁ = 2, m₂ = 1,         m₃ = 1; примем =0,8.

Найдем суммарную прибавку к  расчетной толщине обечайки:

С₁₁=0,4мм – прибавка к толщине стенки, равная отрицательному допуску, таблица 1.4 [2],

C₁₂= 0 мм – прибавка к толщине стенки, компенсирующая возможные утонение стенки полуфабриката при изготовлении.

С₂ = 0,1мм – прибавка к толщине стенки, учитывающая утонение стенки за счет всех видов коррозии за срок службы изделия т.е. проектируемого теплообменного аппарата по таблице 4.1 [1].

С=С₁ +С₂ =С₁₁+С₁₂+С₂=0,4+0+0,1=0,5мм

Тогда толщина стенки цилиндрической обечайки:

= 4,13 +0,5 =4,63 мм.

Принимаемая номинальная толщина  стенки должна удовлетворять следующему условию: , принимаем

Найдем средний диаметр водяной камеры:

Определим наибольший допускаемый  диаметр неукрепленного одиночного отверстия.

Для этого найдем минимальный допускаемый  коэффициент снижения прочности:

Так как  то диаметр отверстия не превышает допустимый, т.е. отверстие укреплять не нужно.

Теперь уточним  расчетный коэффициент  снижения прочности, который равен  ;

- коэффициент снижения прочности  сварных швов (определяем по таблице  4.5[1] в зависимости от объема дефектоскопического контроля 25%);

- коэффициент снижения прочности  цилиндрической обечайки с неукрепленным  отверстием.

Значит  как и было принято в первом приближении.

 

3.3 Круглое плоское днище

Рассчитаем толщину стенки днища. Расчетная толщина определяется по формуле:

где D_R=D;

     ,

где K₀ = 0,53 – выбираем по таблице 4.3 [1] в зависимости от схемы соединения (тип№1);

Примем в первом приближении коэффициент, учитывающий жесткость соединения плоского днища с цилиндрической обечайкой, равным Тогда

Если днище  имеет несколько отверстий в  своей конструкции, то коэффициент  снижения прочности определяется по формуле:

,

где ∑d_i = n_ТРУБ.×d_ТРУБ;

       d_ТРУБ. – диаметр трубки (отверстия) принимаем равным 20 мм;

       n_ТРУБ. – количество трубочек (отверстий) в зависимости от конструкции теплообменника.

,

где s_труб. – глубина отверстия.

s_труб. = d_ТРУБ×1,5=20×1,5=30 мм

.

Тогда

;

Определим суммарную прибавку к  расчетной толщине плоского днища:

С₁₁ = 3,1 мм по таблице 1.4 [2];

С₁₂= 0 мм;

С₂ = 0,1 мм по таблице 4.1 [1];

С=3,1+0+0,1=3,2мм.

Тогда толщина круглого плоского днища:

мм.

Номинальная толщина круглых плоских  днищ должна удовлетворять следующему условию: , принимаем

Уточним значение коэффициента , который определяется по формуле:

 

 

Так как при расчете получилось <0,76, то принимается равным 0,76, т.е. первое приближение было верным.

 

3.4 Патрубки диаметром 215мм с греющей средой

Рассчитаем  толщину стенки. Расчетная толщина  стенки при заданном (расчетном) давлении определяется:

 

Значение  коэффициентов m₁, m₂ , m₃  находим по таблице П 4.2 [1]: m₁ = 2, m₂ = 1, m₃= 1;

принимаем φ = 1.

мм;

Определим суммарную прибавку к расчетной толщине стенки патрубка:

С₁₁ = 0,1 5×S_{патр.гщ.расч.}=0,15×2,97=0,45 мм  согласно таблице 1.5 [2];

С₁₂=0 мм

С₂ = 0,1 мм в соответствии таблице 4.1 [1];

мм.

Тогда толщина стенки патрубка:

мм.

Номинальная толщина стенки должна удовлетворять следующему условию: принимаем S_{патр.гщ.} = 6 мм.

 

3.5 Патрубки диаметром 75мм с нагреваемой средой

Рассчитаем  толщину стенки. Расчетная толщина  стенки при давлении Р=0,3 Мпа (водяная камера) определяется:

 

Значение  коэффициентов m₁, m₂ , m₃  находим по таблице П 4.2 [1]: m₁ = 2, m₂ = 1, m₃= 1;

принимаем φ = 1.

;

Определим суммарную прибавку к  расчетной толщине стенки патрубка:

С₁₁ = 0,1 5×S_{патр.расч.}=0,15×0,088=0,013 мм  согласно таблице 1.5 [2];

С₁₂=0 мм

С₂ = 0,1 мм в соответствии таблице 4.1 [1];

мм.

Тогда толщина стенки патрубка:

мм.

Номинальная толщина стенки должна удовлетворять следующему условию: принимаем S_патр. = 4 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.РАСЧЕТ  К ВЫБОРУ ОСНОВНЫХ ФЛАНЦЕВЫХ  СОЕДИНЕНИЙ

Расчетная схема  проектируемого тарельчатого фланца с  коническим переходом представлена на рисунке 1.

Рис.4. Расчетная схема тарельчатого фланца

 

4.1 Выбор уплотнения

Для обеспечения  герметичности оборудования уплотнение выбираем в зависимости от типа и  конструкции фланцевого соединения согласно рисунку П10.1[1] и таблице П10.1[1]. При выборе материала прокладки используем рекомендации, приведенные в таблице П10.2[1]. Выбираем прокладку плоскую, материал прокладки - паронит:

 -принимаем ширину прокладки b₀=25 мм (при D=2800>2000мм);

 -принимаем толщину прокладки δ=3 мм;

 -определим расстояние от внутренней кромки фланца до его диаметра согласно таблице П10.3[1]:

  u=2×δ=2×3=6 мм;

-определим наружный диаметр  прокладки:

D_d=D+2×b₀+2×u=2800+2×25+2×6=2862 мм;

-определим расчетный диаметр  прокладки:

D_m=D_d - b₀ = 2862 – 25 =2837мм.

 

4.2 Определение усилий в шпильках

Усилие, необходимое для сжатия прокладки, определяется по формуле:

,

где  минимальное удельное уплотняющее давление q₀ и эффективную ширину прокладки b   выбирают согласно таблице П.5.6[1]:

МПа.

-из условия, что если b₀>10, тогда

мм;

Н.

 

Минимальное усилие, обеспечивающее герметичность фланцевого соединения при рабочем давлении Р и давлении гидроиспытания P_h определяются по формулам:

_;    ,

где  m=1,6 - прокладочный коэффициент, χ = 1,5-коэффициент, учитывающий прочность прокладок в рабочих условиях, принято согласно таблице П10.4[1] при Т =200⁰С.

Н;

 Н.

Растягивающее усилие в шпильках от рабочего давления и давления гидроиспытания получаются по формулам:

Н;

Н;

Растягивающее усилие в шпильках должно удовлетворять условию:

МПа;

Минимальный диаметр стержня рассчитываем по формуле, предварительно приняв в первом приближении число шпилек z = 108:

мм;

По таблице П10.5[1] выбираем наружный диаметр шпильки -  М36.

4.3 Определение размеров фланцевого соединения

• Цилиндрический участок фланца:

-толщину стенки цилиндрической части фланца принимаем из условия:

      мм;

-высоту цилиндрического участка фланца принимаем из условия:

h₁=s₁= 45мм.

• Конический переход:

-толщину конического перехода  у основания фланца определим  по формуле:

  ,

где α =1,73 – коэффициент пропорциональности, принимается по таблице1 [3] в зависимости от P.

мм, принимаем S₂ = 78 мм;

-уклон конического перехода  должен находиться в пределах :

2 ≤ i ≤ 4,

 где  , отсюда высота конического перехода при i=4:                                                                              

мм.

• Размеры тарелки фланца.

-диаметр окружности шпилек определяем  из условия:

.

Ниже приведенные размеры определяются по таблице П10.5 [1]:

-d₁ = 31,1 мм;

-d₀ = 40 мм;

-e = 64 мм;

-a=14 мм;

-2a = 14 мм.

мм;

-наружный диаметр фланца определим  по формуле:

мм;

-рассчитаем шаг шпилек:

мм,  принимаем l_W = 87 мм.

4.4 Определение  изгибающих моментов во фланцах:

а)  от усилия обжатия прокладки

_,

где мм,

 Н×мм;

б) от усилий, действующих в рабочем состоянии:

,

где Н;

       Н (было рассчитано нами выше);

       Н;

        мм;

        мм.;

Н×мм;

в) от давления гидроиспытания:

Н×мм.

Найдем максимальный расчетный  изгибающий момент от усилий, действующих на фланцы:

Н×мм.

Найдем высоту тарелки фланца по формуле:

мм, принимаем h_f=110 мм.

4.5 Проверка выбранных размеров фланцев

Проверку  размеров произведем в сечениях А – А, В – В, С – С, рассчитав моменты сопротивления фланца в соответствующих сечениях (см. рис.1):

а) в сечении А-А

,

где мм.

мм³;

б) в сечении В-В

_{Ординату центра тяжести поперечного  сечения фланца вычисляют  по формуле:}

_{Так как y ≤ hf, т.е.112,52<120, то}

 

в) в сечении С-С

Так как h_f > s₂ (110>78), то прочность в сечении С-С обеспечена и W_c не определяют.

Условия прочности в расчетных  сечениях А-А, В-В и С-С проверяем по формуле:

;

,  где →условие выполнено.

4.6 Определение накопленной усталостной повреждаемости для шпилек

• Расчет коэффициента нагрузки шпилек:

,

где  - податливость прокладки,

       мм² – площадь поперечного сечения прокладки;

         Е_пр=2000 МПа – модуль упругости паронитовой прокладки;

         H_пр=δ=3мм.

 

       - податливость шпильки

                    мм² – площадь поперечного сечения шпильки.

                   

        _{Еw=205000 МПа - модуль упругости материала шпильки.}

Данные необходимые для расчета  выбраны в соответствии с [1].

• Расчет усилий в шпильках, вызванных температурными перепадами

 где  

мм;

           -температурный коэффициент линейного расширения фланца при t=200⁰С (таблица П1.2 [1]);

мм;

  -температурный коэффициент линейного расширения шпилек при t=200⁰С (таблица П1.2 [1]).

• Расчет усилий начальной затяжки шпилек

Для сохранения герметичности фланцевого соединения должно выполняться условие:

;

Усилие начальной затяжки шпилек F_OW выбирают из условия по приведенной ниже формуле находим:

Н; тогда принимаем Н.