Теплообменный аппарат

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт

(Технический Университет)

Кафедра машин и аппаратов химических производств

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

«Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли»

на тему: «Теплообменный аппарат»

Санкт-Петербург 2011

Введение

Теплообменниками называются аппараты, в которых происходит теплообмен, между рабочими средами не зависимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, концентраторы, пастеризаторы, испарители, и др.).

Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно, различаются теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

Классификация теплообменников возможна по различным признакам.

По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники - рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева - твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

1) жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;

2) парожидкостные - при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

3) газожидкостные - при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха) и др.

По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.

В теплообменниках периодического действия тепловой обработке подвергается определенная порция (загрузка) продукта.

Вследствие изменения свойств продукта и его количества параметры процесса непрерывно варьируют в рабочем объеме аппарата во времени.

При непрерывном процессе параметры его также изменяются, но вдоль проточной части аппарата, оставаясь постоянными во времени в данном сечении потока. Непрерывный процесс характеризуется постоянством теплового режима и расхода рабочих сред, протекающих через теплообменник.

В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар. В смесительных аппаратах пар обычно барботируют в жидкость (впускают под уровень жидкости), при этом конденсат пара смешивается с продуктом, что не всегда допустимо. В поверхностных аппаратах пар конденсируется на поверхности нагрева и конденсат удаляется отдельно от продукта с помощью водоотводчиков. Водяной пар как теплоноситель обладает множеством преимуществ: легкостью транспортирования по трубам и регулирования температуры, высокой интенсивностью теплоотдачи и др. Применение пара особенно выгодно при использовании принципа многократного испарения, когда выпариваемая из продукта вода направляется в виде греющего пара в другие выпарные аппараты и подогреватели.

Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей (продуктов), которые по ходу технологического процесса нагреваются до высокой температуры. В сравнении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отличается переменной, снижающейся температурой теплоносителя. Однако регулирование процесса и транспорт жидкостей так же удобны, как и при паровом обогреве.

Общим недостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления с повышением температуры. В условиях технологической аппаратуры пищевых производств при паровом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены 150-160 ?С, что соответствует давлению (5-7) 105 Па.

В отдельных случаях (в консервной промышленности) применяется масляный обогрев, который позволяет при атмосферном давлении достигнуть температур до 200°С.

Широко применяется обогрев горячими газами и воздухом (до 300--1000°С) в печах, сушильных установках. Газовый обогрев отличается рядом недостатков: трудностью регулирования и транспортирования теплоносителя, малой интенсивностью теплообмена, загрязнением поверхности аппаратов (при использовании топочных газов) и др. Однако в ряде случаев он является единственно возможным (например, в воздушных сушилках).

В холодильной технике используется ряд хладагентов: воздух, вода, рассолы, аммиак, углекислота, фреон и др.

При любом использовании теплоносителей и хладагентов тепловые и массообменные процессы подчинены основному технологическому процессу производства, ради которого создаются теплообменные аппараты и установки. Поэтому решение задач оптимизации теплообмена подчинено условиям рационального технологического процесса.

Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники разнообразных конструкций.

теплообменный аппарат фланцевый компенсатор опора

1. Описание конструкции

Рисунок 1- Эскиз теплообменного аппарата типа ХНКГ

1 - распределительная камера; 2 - штуцер для подвода хладагента; 3 - штуцер для подвода охлаждаемого материала; 4 - корпус; 5 - температурный компенсатор; 6 - крышка; 7 - штуцер для отвода хладагента; 8 - опора; 9 - трубный пучок; 10 - штуцер для отвода

Данный теплообменный аппарат состоит из распределительной камеры 1, в которую вварены два штуцера: в штуцер 2 поступает рабочая среда - керосин), который, проходя по трубам в трубном пучке 9, выводится из аппарата через штуцер 7. На корпусе аппарата также размещено два штуцера. В штуцер 3 поступает хладагент - 20% раствор хлористого натрия (NaCl), и после охлаждения выходит из аппарата через штуцер 10. В корпусе аппарата находится трубный пучок, который жестко соединён с корпусом, а так как различные части аппарата во время эксплуатации имеют неодинаковые температуры, вызывающие дополнительные температурные напряжения, то в данном теплообменном аппарате предусмотрен температурный компенсатор 5.

Критерием для определения габаритных размеров выбираем давление в межтрубном пространстве и площадь поверхности теплообмена.

В соответствии с [2, с. 8] и в соответствии с [2, с. 15] получаем:

Внутренний диаметр оболочки: м.

Длина труб трубной решетки: м.

Общая длина аппарата: м.

Количество ходов труб: 2.

Площадь поверхности теплообмена: 113м2

2. Расчетная часть

2.1 Выбор материала для корпуса, крышек, труб и трубных решеток

Обрабатываемый материал - керосин

Начальная температура (на входе в аппарат): 30 0С

Конечная температура (на выходе из аппарата): 5 0С

Хладагент - 20% раствор хлористого натрия (NaCl)

Температура начальная (на входе в аппарат): -14 0С

Температура конечная (на выходе из аппарата): 6 0С

В соответствии с [2,c. 16]

Рекомендуется использовать двухслойную сталь ВСт3сп5+12Х18Н10Т по ГОСТ 10885-75 (Сталь листовая горячекатаная двухслойная коррозионно- стойкая), для кожуха.

Для труб и трубных решеток сталь 12Х18Н10Т по ГОСТ 9941-81(Трубы бесшовные холодно- и теплодеформированные из коррозионно-стойкой стали).

В соответствии с [1, c. 712]

При данной температуре 300С сталь 12Х18Н10Т в среде керосин имеет скорость коррозии менее 0,1 мм/год, что удовлетворяет наши условия.

В соответствии с [1, c. 529]

При данной температуре -14 0С сталь 12Х18Н10Т в среде 20% раствор хлористого натрия (NaCl) имеет скорость коррозии менее 0,1 мм/год, что так же удовлетворяет условия.

Итак, принимаем в качестве материала для корпуса, крышек, труб и трубных решеток сталь 12Х18Н10Т, так как она имеет относительно малую скорость коррозии в данных средах.

2.2 Расчет толщины стенки аппарата.

2.2.1 Расчет толщины стенки цилиндрической оболочки (корпуса

аппарата), нагруженной внутренним давлением p = 0.2 МПа.

Расчетную температуру определяют на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний.

За расчетную температуру стенки принимается наибольшее значение температуры стенки. При температуре ниже 20°C за расчетную температуру принимают температуру 20°C.

где: - наибольшая температура среды.

Допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках, для рабочего состояния определяется из выражения:

где: - нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре.

- поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки.

в соответствии с [3, c. 11] принимаем МПа

т.к. листовой прокат, то значение

МПа

Расчетное давление определяется по формуле:

где: - гидростатическое давление среды, определяемое по формуле:

где: равен внутреннему диаметру.

- плотность среды.

в соответствии с [1, c. 768] принимаем кг/м3

значение h=0,6 м

МПа

МПа

- коэффициент прочности сварных соединений.

Значение определяется в зависимости от конструкции и способа соединения.

Принято, что швы с двусторонним сплошным проваром выполняются автоматической сваркой, получаем значение .

Прибавка к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле:

где: - прибавка на коррозию, исходя из условий разъедания материала стенки средой и срока службы (15 лет), определяемая по формуле:

где: - срок службы аппарата.

- проницаемость среды в материал в соответствии с [1, c. 712]

мм/год

принимаем лет

значение мм/год.

м

- прибавка на эрозию.

- прибавка на минусовой допуск по толщине листа.

принимаем

значение м исходя из ГОСТ 3680-57 (Сталь прокатная

тонколистовая)

Суммарная прибавка составит:

м

Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки определяется по формуле:

м

Фактическая толщина стенки цилиндрической обечайки определяется по формуле:

м

Округляем до значения из стандартного ряда:

м

Допускаемое давление в рабочем состоянии:



МПа > 0,2 МПа

Условие прочности выполнено.

Допускаемое давление при испытаниях:

где: - допускаемое напряжение при испытаниях, определяемое из

соотношения:

где: - предел текучести.

примем МПа, в соответствии с [3, c. 282]

МПа

МПа

2.2.2 Расчет толщины стенки цилиндрической оболочки

(распределительной камеры), нагруженной внутренним давлением

p = 0,6 МПа.

Расчетную температуру определяют на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний.

За расчетную температуру стенки принимается наибольшее значение температуры стенки. При температуре ниже 20°C за расчетную температуру принимают температуру 20°C.

где: - наибольшая температура среды.

Допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках, для рабочего состояния определяется из выражения:

где: - нормативное допускаемое напряжение при расчетной температуре.

- поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки.

принимаем МПа ,в соответствии с [3, c. 11]

т.к. листовой прокат, то значение

МПа

Расчетное давление определяется по формуле:

,

где: - гидростатическое давление среды, определяемое по формуле:

,

где: в соответствии с рис. 2 равен внутреннему диаметру.

- плотность среды

в соответствии с [1, c. 768] кг/м3

МПа

МПа

- коэффициент прочности сварных соединений.

Значение определяется в зависимости от конструкции и способа соединения.

Принято, что швы с двусторонним сплошным проваром выполняются автоматической сваркой, получаем значение .

Прибавка к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле:

где: - прибавка на коррозию, исходя из условий разъедания материала

стенки средой и срока службы (15 лет), определяемая по формуле:

где: - срок службы аппарата.

- проницаемость среды в материал мм/год по [1, c. 712]

принимаем лет

значение мм/год.

м

- прибавка на эрозию.

- прибавка на минусовой допуск по толщине листа.

принимаем

значение м исходя из ГОСТ 3680-57 (Сталь прокатная

тонколистовая)

Суммарная прибавка составит:

м

Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки определяется по формуле:

м

Фактическая толщина стенки цилиндрической обечайки определяется по формуле:

м

Округляем до значения из стандартного ряда:

м

Допускаемое давление в рабочем состоянии:

МПа > 0.6 МПа

Условие прочности выполнено.

Допускаемое давление при испытаниях:

где: - допускаемое напряжение при испытаниях, определяемое из

соотношения:

где: - предел текучести.

в соответствии с [3, c. 282] примем МПа

МПа

МПа

2.2.3 Расчет толщины стенки эллиптической крышки, нагруженной

внутренним давлением p = 0,6 МПа.

Рисунок 3 - Эллиптическое днище

Расчетную температуру определяют на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний.

За расчетную температуру стенки принимается наибольшее значение температуры стенки. При температуре ниже 20°C за расчетную температуру принимают температуру 20°C.

Допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках, для рабочего состояния определяется из выражения:

МПа

Расчетное давление определяется по формуле:

где: - гидростатическое давление среды, определяемое по формуле:

где: в соответствии с рис. 3 равен внутреннему диаметру.

- керосина.

кг/м3

МПа

МПа

- коэффициент прочности сварных соединений.

Значение определяется в зависимости от конструкции и способа соединения.

Принято, что швы с двусторонним сплошным проваром выполняются автоматической сваркой, получаем значение .

Прибавка к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле:

где: - прибавка на коррозию, исходя из условий разъедания материала стенки средой и срока службы (15 лет), определяемая по формуле:

 где: - срок службы аппарата.

- проницаемость среды в материал мм/год.

принимаем лет

значение мм/год.

м

- прибавка на эрозию.

- прибавка на минусовой допуск по толщине листа.

принимаем

значение м исходя из ГОСТ 3680-57 (Сталь прокатная

тонколистовая)

Суммарная прибавка составит:

м

Расчетная толщина стенки эллиптического днища определяется по формуле:

м

Фактическая толщина стенки эллиптического днища определяется по формуле:

м

Округляем до значения из стандартного ряда:

м

Допускаемое давление в рабочем состоянии:

МПа > 0,6 МПа

Условие прочности выполнено.

Допускаемое давление при испытаниях:

где: - допускаемое напряжение при испытаниях, определяемое из

соотношения:

где: - предел текучести.

в соответствии с [3, c. 282] примем МПа

МПа

МПа

2.3 Укрепление отверстий в оболочке

Отверстие считается одиночным, если ближайшее к нему отверстие не оказывает на него влияния, что имеет место, когда расстояние между наружными поверхностями соответствующих штуцеров удовлетворяет условию:

где: и - расчетные диаметры укрепляемых элементов.

Для цилиндрической оболочки:

м

м

Значит, если отверстия находящиеся на одной цилиндрической оболочке, на расстоянии более чем 39 мм друг от друга, можно считать одиночными отверстиями.

Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле:

Для отверстия, находящегося на цилиндрической оболочке:

м

Значит, все отверстия, находящиеся на цилиндрической оболочке, имеющие диаметр менее 28.9 мм, в укреплении не нуждаются, а так как на данном аппарате нет отверстий менее 28.9 мм, следовательно, все отверстия нуждаются в укреплении.

Рисунок 4 - Укрепление отверстий

2.3.1 Укрепление штуцера распределительной камеры

Исходные данные:

Внутренний диаметр штуцера: м

Толщина стенки штуцера: м

Прибавка к толщине стенки штуцера: м

Длина наружной части штуцера: м

Ширина накладного кольца: м

Внутренний диаметр обечайки, на которой находится штуцер: м

Расчетный диаметр укрепляемого элемента: м

Расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки, перехода или днища при наличии штуцера с круглым поперечным сечением, ось которого совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия определяется по формуле:

м

Расчетные длины внешней и внутренней частей круглого штуцера, участвующие в укреплении отверстий и учитываемые при расчете, определяются по формулам:

Для внешней части:

м

Ширина зоны укрепления в обечайках, переходах и днищах определяется по формуле:

м

Расчетная ширина зоны укрепления в стенке обечайки перехода или днища в окрестностях штуцера:

м

Расчетная ширина накладного кольца определяется по формуле:

м

Отношения допускаемых напряжений:

Для внешней части штуцера:

Для накладного кольца:

Для внутренней части штуцера:

Так как внешняя, внутренняя части штуцера , и кольцо сделаны из одной стали, то отношения допускаемых напряжений будет равно 1.

Расчетный диаметр определяется по формуле:

м

Проверим, нужно ли нам вообще укреплять отверстие с помощью накладного кольца, должно выполняться условие:

<

Условие не выполняется, требуется накладное кольцо.

Так как толщина стенки и прибавка к толщине стенки у внешней, внутренней части штуцера и накладного кольца одинакова, то:

Условие выполнено.

2.3.2 Укрепление штуцера корпуса

Исходные данные:

Внутренний диаметр штуцера: м

Толщина стенки штуцера: м

Прибавка к толщине стенки штуцера: м

Длина наружной части штуцера: м

Ширина накладного кольца: м

Внутренний диаметр обечайки, на которой находится штуцер: м

Расчетный диаметр укрепляемого элемента: м

Расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки, перехода или днища при наличии штуцера с круглым поперечным сечением, ось которого совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия, определяется по формуле:

м

Расчетные длины внешней и внутренней частей круглого штуцера, участвующие в укреплении отверстий и учитываемые при расчете, определяются по формулам:

Для внешней части:



м

Ширина зоны укрепления в обечайках, переходах и днищах определяется по формуле:

м

Расчетная ширина зоны укрепления в стенке обечайки перехода или днища в окрестностях штуцера:

м

Расчетная ширина накладного кольца определяется по формуле:

м

Отношения допускаемых напряжений:

Для внешней части штуцера:

Для накладного кольца:

Для внутренней части штуцера:

Так как и внешняя часть штуцера, и внутренняя часть, и кольцо сделаны из одной стали, то отношения допускаемых напряжений будет равно 1.

Расчетный диаметр определяется по формуле:

м

Проверим, нужно ли нам укреплять отверстие с помощью накладного кольца.

Должно выполняться условие:

Условие не выполняется, требуется накладное кольцо.

В случае укрепления отверстия утолщением стенки сосуда или штуцера накладным кольцом должно выполняться условие:

Так как толщина стенки и прибавка к толщине стенки у внешней, внутренней части штуцера и накладного кольца одинакова, то:

Условие выполнено.

2.4 Расчет фланцевых соединений

Рисунок 5 - Фланцевое соединение

2.4.1 Расчет фланца корпуса

Исходные данные:

Внутренний диаметр обечайки: м

Толщина стенки обечайки: м

Внутреннее давление: МПа

Температура среды: 0С

Материал фланца - сталь X18H10T

Материал болтов - сталь 35Х

Коэффициент прочности сварных швов

Конструктивные размеры фланца

Толщина втулки определяется из соотношения:



м

Толщина втулки

где: - коэффициент, равный соотношению

В соответствии с [3, c. 95] принимаем

м

Высота втулки определяется из формулы:

где: - уклон втулки, в соответствии с [3, c. 94]

м

Примем м

Эквивалентная толщина втулки фланца:

м

Диаметр болтовой окружности:



где:м - нормативный зазор между гайкой и втулкой

- диаметр отверстия в фланце под болт; м

м

Наружный диаметр фланца:

где: - конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца, в соответствии с [3, c. 95] м

м

Наружный диаметр прокладки:

где: - нормативный параметр, зависящий от типа прокладки в соответствии с [3, c. 95] м

м

Средний диаметр прокладки:

где: - ширина прокладки в соответствии с [3, c. 96] м

м

Количество болтов:



где: - рекомендуемый шаг, определяемый по формуле:

м

Округляем значение до целого, делящегося на 4 без остатка

Высота (толщина) фланца:

где: - коэффициент, зависящий от внутреннего давления; в соответствии с [3, c. 97]

м

принимаем м

Ориентировочное расстояние между опорными поверхностями гаек для фланцевого соединения с уплотнительной поверхностью:

где - толщина фланца корпуса; м

- толщина фланцев распределительной камеры и крышки;

м

м

Нагрузки, действующие на фланец.

Равнодействующая внутреннего давления, определяется по формуле:

МН

Реакция прокладки:

где: - коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки в соответствии [3, c. 98] принимаем

- эффективная ширина прокладки, определяемая по формуле:

м

МН

Усилие, возникающее от температурных деформаций:

где: - коэффициент линейного расширения материала фланца;

в соответствии [3, c. 286]

- коэффициент линейного расширения материала болтов

в соответствии [3, c. 286]

- расчетная температура фланца, определяемая по формуле:

- расчетная температура болта, определяемая по формуле:

- модуль упругости болта; в соответствии [3, c. 286] МПа

- площадь поперечного сечения болта; в соответствии [3, c. 98] м2

- линейная податливость болта, определяемая по формуле:

где: - длина болта:

где - внешний диаметр болта;

м

- линейная податливость прокладки, определяемая по формуле:

где: - модуль упругости прокладки; в соответствии [3, c. 286]

примем МПа

- линейная податливость фланца, определяемая по формуле:

где: - безразмерный параметр, определяемый по формуле:

- безразмерный параметр, определяемый по формуле:

- безразмерный параметр, определяемый по формуле:

где: - безразмерный коэффициент:



МН

Коэффициент жесткости фланцевого соединения, определяется из формулы:

Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления:

где: - минимальное давление обжатия прокладки;

в соответствии с [3, c. 98] МПа

МН

Болтовая нагрузка в рабочих условиях:

МН

Приведенный изгибающий момент:

Проверка прочности и герметичности соединения

Условие прочности болтов:

где: - допускаемое напряжение болта при температуре 200С;

в соответствии [3, c. 93] МПа

МПа

Условие выполняется.

где: - допускаемое напряжение болта при температуре -140С;

в соответствии [3, c. 93] МПа

МПа

Условие выполняется.

Условие прочности неметаллической прокладки из паронита:

где: - допускаемое давление обжатия прокладки;

в соответствии с [3, c. 98] МПа

МН

МПа

Условие выполняется.

Максимальное напряжение в сечении фланца, ограниченном размером S1

где:м

- приведенный изгибающий момент с учетом изгибающего момента от силы тяжести распределительной камеры

- безразмерный параметр, определяемый по формуле:

МПа

Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером S0

где: - безразмерный параметр; в соответствии с [3, c. 101]

МПа

Окружное напряжение в кольце фланца:

МПа

Напряжение во втулке от внутреннего давления:

Тангенциальное:



МПа

Меридиональное:

МПа

Условие прочности для сечения фланца, ограниченного размером S1

где:;

в соответствии с [3, c. 282] МПа

МПа

Условие выполняется.

Условие прочности для сечения, ограниченного размером S0

где:МПа

МПа

Условие выполняется.

Условие герметичности, определяемое углом поворота фланца:



где: - предельно допускаемый угол поворота фланца; в соответствии с [3, c. 102] рад

Условие выполняется.

Расчет фланца распределительной камеры

Исходные данные:

Внутренний диаметр обечайки: м

Толщина стенки обечайки: м

Внутреннее давление: МПа

Температура среды: 0С

Материал фланца - сталь X18H10T

Материал болтов - сталь 35Х

Коэффициент прочности сварных швов

Конструктивные размеры фланца

Толщина втулки определяется из соотношения:

м

Толщина втулки

где: - коэффициент, равный соотношению

В соответствии с [3, c. 95] принимаем

м

Высота втулки определяется из формулы:

где: - уклон втулки; в соответствии с [3, c. 94]

м

Эквивалентная толщина втулки фланца:

м

Диаметр болтовой окружности:

где:м - нормативный зазор между гайкой и втулкой

- диаметр отверстия во фланце под болт;

м

м

Наружный диаметр фланца:

где: - конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца, в соответствии с [3, c. 95]

м

м

Наружный диаметр прокладки:

где: - нормативный параметр, зависящий от типа прокладки в соответствии с [3, c. 95] м

м

Средний диаметр прокладки:

где: - ширина прокладки в соответствии с [3, c. 96] м

м

Количество болтов:

где: - рекомендуемый шаг, определяемый по формуле:

м

Округляем значение до целого, делящегося на 4 без остатка

Высота (толщина) фланца:

где: - коэффициент, зависящий от внутреннего давления; в соответствии с [3, c. 97]

м

принимаем м

Ориентировочное расстояние между опорными поверхностями гаек для фланцевого соединения с уплотнительной поверхностью:

где - толщина фланца корпуса; м

- толщина фланцев распределительной камеры и крышки;

м

м

Нагрузки, действующие на фланец.

Равнодействующая внутреннего давления, определяется по формуле:



МН

Реакция прокладки:

где: - коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки в соответствии [3, c. 98] принимаем

- эффективная ширина прокладки, определяемая по формуле:

м

МН

Усилие, возникающее от температурных деформаций:

где: - коэффициент линейного расширения материала фланца;

в соответствии [3, c. 286]

- коэффициент линейного расширения материала болтов

в соответствии [3, c. 286]

- расчетная температура фланца, определяемая по формуле:

- расчетная температура болта, определяемая по формуле:

- модуль упругости болта; в соответствии [3, c. 286] МПа

- площадь поперечного сечения болта; в соответствии [3, c. 98] м2

- линейная податливость болта, определяемая по формуле:

где: - длина болта:

где - внешний диаметр болта;

м

- линейная податливость прокладки, определяемая по формуле:

где: - модуль упругости прокладки; в соответствии [3, c. 286]

МПа

- линейная податливость фланца, определяемая по формуле:

где: - безразмерный параметр, определяемый по формуле:

- безразмерный параметр, определяемый по формуле:

- безразмерный параметр, определяемый по формуле:

где: - безразмерный коэффициент:



МН

Коэффициент жесткости фланцевого соединения, определяется из формулы:

Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления:

где: - минимальное давление обжатия прокладки;

в соответствии с [3, c. 98] МПа

МН

Болтовая нагрузка в рабочих условиях:

МН

Приведенный изгибающий момент:

Проверка прочности и герметичности соединения

Условие прочности болтов:

где: - допускаемое напряжение болта при температуре 200С;

в соответствии [3, c. 93] МПа

МПа

Условие выполняется.

где: - допускаемое напряжение болта при температуре -140С;

в соответствии [3, c. 93] МПа

МПа

Условие выполняется.

Условие прочности неметаллической прокладки из паронита:

где: - допускаемое давление обжатия прокладки;

в соответствии с [3, c. 98] МПа

МН

МПа

Условие выполняется.

Максимальное напряжение в сечении фланца, ограниченном размером S1

где:м

- приведенный изгибающий момент с учетом изгибающего момента от силы тяжести распределительной камеры



- безразмерный параметр, определяемый по формуле:

МПа

Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером S0

где: - безразмерный параметр; в соответствии с [3, c. 101]

МПа

Окружное напряжение в кольце фланца:

МПа

Напряжение во втулке от внутреннего давления:

Тангенциальное:



МПа

Меридиональное:

МПа

Условие прочности для сечения фланца, ограниченного размером S1

где:;

в соответствии с [3, c. 282] МПа

МПа

Условие выполняется.

Условие прочности для сечения, ограниченного размером S0

где:МПа

МПа

Условие выполняется.

Условие герметичности, определяемое углом поворота фланца:



где: - предельно допускаемый угол поворота фланца; в соответствии с [3, c. 102] рад

Условие выполняется.

2.5 Расчет трубной решетки

В соответствии с общим чертежом, приведенным в начале данной работы, выбираем тип соединения, показанный на рисунке

Рисунок 6 - Конструкция плоской трубной решетки

2.5.1 Конструктивные размеры трубной решетки

Расчетная высота средней части решетки, определяется по формуле:



где: - коэффициент, зависящий от конструкции решетки;

в соответствии [4, c. 312]

- коэффициент прочности решетки, определяется по формуле:

где: - число отверстий по диаметру.

- диаметр отверстия под трубу.

м

- прибавка к толщине стенки.

м

2.5.2 Расчет закрепления труб в трубной решетке

Расчетная осевая сила , действующая в месте закрепления трубы в решетке:

где: - давление в трубном пространстве.

МПа

Н

где: - давление в межтрубном пространстве.

МПа

Н

H

Вальцовочное закрепление трубы в решетке должно отвечать условию для гладкой развальцовки:

Условие выполняется.

2.6 Расчет линзового компенсатора

Рисунок 7- Линзовый компенсатор

Принимаем толщину стенки линзы компенсатора равной толщине стенки корпуса аппарата (исходя из расчета на прочность от внутреннего давления):м

Реакция компенсатора по оси его при принятой толщине стенки определяется по формуле:

где: - длина корпуса и труб.

м

- коэффициент линейного расширения материала кожуха (сталь 12Х18Н10Т).

- средняя температура стенки кожуха.

- коэффициент линейного расширения материала труб (сталь 12Х18Н10Т)

- средняя температура стенок труб.

- модуль упругости материала кожуха.

МПа

- площадь поперечного сечения корпуса, определяемая по формуле:

где: - толщина стенки корпуса аппарата.

м

- модуль упругости материала труб.

МПа

- площадь поперечного сечения труб, определяемая по формуле:

где: - внешний диаметр трубы.

м

- толщина стенки трубы.

м

- количество труб.

- коэффициент; в соответствии с [4, с. 320]

- коэффициент, определяемый как:

где - диаметр линзового компенсатора;

в соответствии с [6] м

Н

Деформация одной линзы компенсатора определяется по формуле:

м

Расчетное число линз в компенсаторе при длине труб в холодильнике определяется по формуле:



Принятое число линз равно:

2.7 Расчет опор

Эскиз опор для горизонтального аппарата представлен на рисунке

Рисунок 8 - Опора горизонтального аппарата

2.7.1 Расчетные нагрузки

Масса заполненного аппарата в целом составляет кг.

Рисунок 9 - Схема нагружения корпуса и опор

Рисунок 10 - Эпюры поперечных сил и изгибающих моментов

В соответствии с принятой расчетной схемой определяющими параметрами являются изгибающие моменты.

В сечении посередине пролета расчетный момент равен:

В сечении над опорой расчетный момент принимается максимальным из двух имеющихся. Исходя из эпюры, это:

2.7.2 Прочность стенки аппарата от совместного действия изгиба и

давления

Прочность стенки от совместного действия изгиба и давления проверяется в двух сечениях:

где: - толщина стенки корпуса аппарата.

- прибавка к толщине стенки.

- расчетное давление в корпусе.

- внутренний диаметр корпуса аппарата.

- допускаемое напряжение для материала аппарата при расчетной температуре.

- коэффициент прочности сварного шва.

Условие выполняется

где: - толщина подкладного листа;м.

- коэффициент, принимаемый в соответствии с [5, c. 11].

Условие выполняется

2.7.3 Напряжение среза в опорном сечении оболочки

Максимальные напряжения среза в опорном сечении оболочки:

при установке кольца жесткости в опорном сечении и

ПаМПа

2.7.4 Определение кольцевых напряжений в оболочках, укрепленных

кольцами жесткости, и расчет колец жесткости.

Кольцевое напряжение в оболочке над опорой за пределом влияния кольца жесткости определяется:

где: - коэффициент, принимаемый в соответствии с [5, c. 18].

- наибольшая из поперечных сил, действующих на опоры, из эпюры следует, что Н.

- эффективная длина обечайки в сечении над опорой.



где: - ширина кольца жесткости; м.

м

Па

Кольцевое напряжение в обечайке в зоне влияния кольца жесткости и расчет кольца жесткости:

напряжение в обечайке

где: - коэффициент, принимаемый в соответствии с [5, c. 19].

- коэффициент, принимаемый в соответствии с [5, c. 22].

- расчетная площадь поперечного сечения обечайки и колец

жесткости.

- расстояние от центра тяжести расчетного сечения до обечайки.

- эффективный момент инерции расчетного сечения.

ПаМПа

напряжение в кольце жесткости

где: - расстояние от центра тяжести расчетного сечения до кольца

жесткости.

ПаМПа

2.7.5 Нагрузки, действующие на опору

Наибольшая из двух реакция опоры, исходя из рисунка, равна:

Н

Горизонтальная нагрузка на опору (перпендикулярно оси аппарата):

где: - коэффициент, принимаемый в соответствии с [5, c. 24].

Н

Горизонтальная нагрузка на опору (параллельная оси аппарата)

Н

2.7.6 Расчет опорной плиты

Площадь опорной плиты в плане устанавливается конструктивно. Требуемая площадь опорной плиты определяется по формуле:

где: - допускаемое напряжение сжатия бетона.

Во всех случаях

Толщина опорной плиты определяется по формуле:

где: - из рисунка.

- коэффициент, принимаемый в соответствии с [5, c. 26].

.

МПа.

м

Во всех случаях м.

2.7.7 Расчет толщин ребер опоры

Толщина ребра 1 должна удовлетворять условию прочности на изгиб и растяжение:

где: - толщина ребра опоры.

ПаМПа

Расчет толщины ребер 1 и 2 на устойчивость от действия сжимающей нагрузки .

Величина погонной нагрузки на единицу длины ребра:



где: - общая длина ребер.

где:, - размеры из рисунка.

- число ребер на опоре.

м

Напряжение сжатия:

Па

Условие устойчивости:

допускаемое напряжение на устойчивость

где: - предел текучести опорных элементов.

МПа

Условие выполняется.

Заключение

В ходе проведения данной курсовой работы, было произведено множество расчетов, а именно:

расчет и проверка стенок аппарата.

расчет на укрепление отверстий в аппарате для штуцеров.

расчет и проверка фланцевого соединения.

расчет трубной решетки и проверка закрепления в ней труб.

К пояснительной записке прилагается графическая часть:

1-ый лист - сборочный чертеж аппарата.

2-ой лист - сборочный чертеж корпуса аппарата.

3-ий лист - сборочный чертеж трубного пучка.

4-ый лист - деталировка.

Все эти расчеты в совокупности дали полную разработку теплообменного аппарата типа ХК.

Список использованных источников

1. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. - Москва: Химия, 1975. - 815 с.

2. ГОСТ 15120-79 Холодильники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе.

3. Михалев М.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. - Л.: Машиностроение 1984. - 300 с.

4. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. - Л.: Машиностроение 1981. - 648 с.

5. РТМ 26-110-72 Расчет на прочность горизонтальных цилиндрических аппаратов, установленных на седловых опорах.

Размещено на Allbest.ru