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.

Расчет корпуса аппарата. 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 принимаю 3 мм;

- коэффициент прочности сварного шва, =0,65;

D_вн = 500 мм – внутренний диаметр корпуса;

P_изб = 0,7 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:

 

 

Расчет днищ и крышек.

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

 

h_в =0,25·0,530=0,1325 м - высота выпуклой части крышки, м;

k – коэффициент, ,

d – наибольший диаметр неукрепленного отверстия в крышке;

 - коэффициент прочности сварного шва, ;

С – прибавка на коррозию, м.

Принятая толщина S=6 мм стенки крышки подлежит контрольной проверке на допустимые напряжения при гидравлическом испытании аппарата:

 

 

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

м

 

h_в =0,1325 м - высота выпуклой части днища, м;

k – коэффициент, ,

 - коэффициент прочности сварного шва, ;

С – прибавка на коррозию, м.

Принятая толщина S=5 мм стенки днища подлежит контрольной проверке на допустимые напряжения при гидравлическом испытании аппарата:

 

 

Расчет трубных решеток.

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 = 0,49 МПа;

Коэффициент ослабления доски отверстиями φ определяется по формуле:

 

 

 - минимальный шаг между отверстиями.

 м

полученная величина проверяется на допустимые напряжения от изгиба:

 

.

 

Условие выполняется.

Расчет укрепления отверстий.

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. Для корпуса:

м

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

 

м;

м, принимаем S_ш=4 мм

 

где d – диаметр укрепляемого отверстия, м;

 - нормативное допускаемое напряжение, МПа.

Для крышки:

 

м

м;

м, принимаем S_ш=4 мм

 

Расчет фланцевых соединений.

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:

 

,

 

D_ср.п. – средний диаметр прокладки;

b – ширина прокладки, м;

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

Р – расчетное давление, Па;

Расчет толщины тарелки плоского приварного фланца h для корпуса аппарата.

 

0,160∙10⁶ Н;

 Н,

 

Задаемся диаметром болта D_б=0,024 м, определяем допускаемую нагрузку, Н, на один болт:

 

,

 

и число болтов:

 

, принимаем n_б=20 шт.

 

плечи моментов сил, действующих на фланец, м: для паронитовых прокладок

=0,5(0,62-0,545-0,024)=0,0255 м;

=0,5(0,62-0,545)=0,0375 м;

=0,5(0,62-0,545-2∙0,006)=0,0325;

 

S= 0,006 м - толщина стенки обечайки;

D_вн = 0,5 м - внутренний диаметр обечайки;

D_нф= 0,67 м - наружный диаметр фланца;

D_б=0,62 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∙ =0,02977 м

Выбираем стандартный плоский приварной фланец с толщиной тарелки 40 мм.

Расчет толщины тарелки плоского приварного фланца h патрубка для пара.

 

0,0291∙10⁶ Н;

 Н,

 

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

 

,

 

и число болтов:

, принимаем n_б=8 шт.

=0,5(0,265-0,22-0,02)=0,0125 м;

=0,5(0,265-0,22)=0,0225 м;

=0,5(0,265-0,22-2∙0,004)=0,0185;

 

S= 0,004 м - толщина стенки патрубка;

D_вн = 0,2 м - внутренний диаметр патрубка;

D_нф= 0,3 м - наружный диаметр фланца;

D_б=0,265 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∙ =0,01514 м

Выбираем стандартный плоский приварной фланец с толщиной тарелки 25 мм.

Расчет толщины тарелки плоского приварного фланца h патрубка для воды.

 

0,0174∙10⁶ Н;

 Н,

 

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

 

,

 

и число болтов:

 

, принимаем n_б=8 шт.

=0,5(0,24-0,185-0,02)=0,0175 м;

=0,5(0,24-0,185)=0,0275 м;

=0,5(0,24-0,185-2∙0,004)=0,0235;

 

S= 0,004 м - толщина стенки патрубка;

D_вн = 0,15 м - внутренний диаметр патрубка;

D_нф= 0,28 м - наружный диаметр фланца;

D_б=0,24 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∙ =0,01532 м

Выбираем стандартный плоский приварной фланец с толщиной тарелки 20 мм.

Расчет толщины тарелки плоского приварного фланца h патрубка для конденсата.

 

0,0266∙10⁶ Н;

 Н,

Задаемся диаметром болта D_б=0,016 м, определяем допускаемую нагрузку, Н, на один болт:

 

,

 

и число болтов:

 

, принимаем n_б=4 шт.

=0,5(0,11-0,07-0,016)=0,012 м;

=0,5(0,11-0,07)=0,02 м;

=0,5(0,11-0,07-2∙0,004)=0,016;

 

S= 0,004 м - толщина стенки патрубка;

D_вн = 0,04 м - внутренний диаметр патрубка;

D_нф= 0,145 м - наружный диаметр фланца;

D_б=0,11 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∙ =0,0157 м

Выбираем стандартный плоский приварной фланец с толщиной тарелки 20 мм.