Прочностной расчет теплообменного аппарата

Механический расчёт предполагает расчёт основных узлов и деталей аппарата на прочность. Конструкция и элементы аппаратов рассчитываются на наибольшее допускаемое рабочее давление с учётом возможных температурных напряжений, особенностей технологии изготовления деталей, агрессивности действия рабочей среды и особенностей эксплуатации.

Расчёт толщины стенки кожуха

Толщина обечайки рассчитываем по формуле:

(3.1)

Где Р_п – рабочее давление пара, МН/м²; D_а.вн – внутренний диаметр корпуса, м; j₁ – коэффициент прочности сварного шва, равный j₁=0,9; s_д – номинальное допустимое напряжение, МПа, принимаем в зависимости от марки стали и температуры стенки, таблица 4; С – поправка на коррозию, равна 1-6 мм в зависимости от скорости коррозии материала обечайки, м;

Расчет толщины эллиптического днища

Исходя из условия технологичности изготовления толщину стенки днища, имеющего отверстие, определяем по выражению, м:

(3.2)

Где z=1-d/D_а.вн – коэффициент неукреплённого отверстия; d – наибольший диаметр неукреплённого отверстия, м; h_вып – высота выпуклой части днища, м.

 

 

Расчет трубной решетки

Расчетное давление, МПа, при расчете трубной решетки выби­раем по большему из трех следующих значений:

(3.3)

где Рм, Рт — давления в межтрубном и трубном пространствах со­ответственно, МПа; Рм.п =1,5×Рм, Рт.п=1,5Pт — пробное давление при гидравлическом испытании в межтрубном пространстве и в трубах, Мпа; r — отношение жесткости трубок к жесткости кожуха; g — расчет ный температурный коэффициент; к — модуль упру­гости системы трубок, Мпа/м; l— расчетная длина корпуса, равная длине труб, м; a — коэффициент перфорации.

Коэффициент, выражающий отношение жесткости трубок к жесткости кожуха, находим по формуле

(3.4)

где Ет, Ек — модули упругости материала трубок и кожуха (для ла­туни — Е = 1,078×10⁵ МПа; для стали — E = 2,058×10⁵ Мпа); Fт, Fк — площади сечения стенок трубок и кожуха, м². Площадь сечения стенок трубок, м², рассчитываем:

Fт=0,25pn×(d²_нар-d²_вн) ; (3.5)

Fт =0,25×3,14×37(0,016²-0,014²)=0,0017м²

где n –количество трубок, шт.; d_вн, d_нар — внутренний и наруж­ный диаметры трубок, м.

Площадь сечения стенок кожуха, м2:

(3.6)

Тогда,

Расчетный температурный коэффициент находим по формуле:

(3.7)

где t_т, t_к — температуры трубок и кожуха, °С; a_т, a_к — коэффици­енты линейного удлинения трубок и кожуха соответственно, для стали a_т=a_к=11,8×10^-6 1/°С.

Температуру кожуха принимаем:

(3.8)

Температура трубок:

(3.9)

Модуль упругости системы трубок, МПа/м, рассчитываем

(3.10)

 

где l — длина трубок, м; a =D_а.вн / 2 = 0,2/2 =0,1 м — внутренний радиус корпуса, м.

 

 

Коэффициент перфорации определяют по формуле

(3.11)

Тогда расчетные давления, МПа, будут найдены по формулам:

Принимаем расчетное давление Р_р =2 МПа. Толщину трубной решетки рассчитывают:

(3.12)

Принимаем толщину трубной решетки d_Р=16мм. Изгибающий момент, распределенный по контуру решетки:

(3.13)

где b—коэффициент системы «решетка—трубки», 1/м; Ф₁, Ф₂, Ф₃ выбираются в зависимости от безразмерного параметра w =b×a; T и q — вспомогательные коэф­фициенты.

Коэффициент системы «решетка — трубки», 1/м

(3.14)

где D_y — жесткость трубной решетки при изгибе, Нм,

(3.15)

здесь Е_р = 2,058×10⁵ МПа — модуль упругости материала решетки;

(3.16)

(3.17)

(3.18)

где y_p и y_o— коэффициенты жесткости трубной и перфорирован­ной решеток; a_p — расчетный коэффициент перфорации.

(3.19)

Значения коэффициентов: Ф₁ =2,06; Ф₂ =0,19; Ф₃ =1,76. Вспомогательные коэффициенты

(3.20)

(3.21)

где h = d_Р – 0,003 = 0,014 – 0,003 = 0,011 — толщина полки фланца, м.

 

Коэффициент податливости системы «кожух — решетка»

(3.22)

Жесткость фланцевого соединения

(3.23)

где b=0,07м — ширина полки фланца; R=а + 0,005 = 0,1 + 0,005=0,105 — расстояние от центра тяжести сечения фланца до оси аппарата, м;

Перерезывающая сила, распределенная по контуру трубной решетки

(3.24)

 

Максим альный изгибающий момент в трубной решетке:

(3.25)

где A=¦(m,w) = 0,52 — коэффициент, определяется по таблице; m— характеристика заделки решетки; w= 1,24 — безраз­мерный параметр.

Характеристика заделки решетки определяется по формуле:

(3.26)

Проверяем напряжение от изгиба в трубной решетке

(3.27)

где коэффициент прочности решетки; t=24мм – шаг разбивки отверстий в трубной доске;

Полученный результат подтверждает соответствие действи­тельного напряжения от изгиба допускаемому напряжению.

 

 

Заключение

В ходе решения курсовой работы были определены все основные параметры кожухотрубного теплообменного аппарата. Расчетная длина трубок составила 12 м, поэтому делаем две секции теплообменного аппарата по 6 м каждая. Что удовлетворяет условию расчета тонких сосудов находящихся под давлением (не более 6 м). Был проведен гидравлический расчет, в результате которого была рассчитана мощность насосов, компенсирующих гидравлические потери в теплообменнике. В прочностном расчете были определены: толщина стенки кожуха (2,4 мм), толщина эллиптического днища (5,3 мм), толщина трубной доски (14,3 мм). Также была проведена проверка теплообменного аппарата на прочность, в результате которой было доказано, что аппарат выдерживает максимальные перегрузки без деформации его деталей и узлов.

 

 

 

Список литературы

 

1. Расчет теплообменного аппарата: методические указания к выполнению курсовой работы. В. А. Глухарев, В. В. Володин, И. Н. Попов. ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». Саратов, 2008.

 

2. Бакластов А.М. и др. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок: Учеб. пособие для вузов/ А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, П.Г. Удыма; Под ред. А.М. Бакластова. - М.: Энергоиздат, 1981. – 336 с.

 

3. Справочник по машиностроительному черчению. Чекмарев А. А., Осипов В. К. М.: Высшая школа, 2000.