ЛІТЕРАТУРА1 Генкин А.Э. Оборудование химических заводов М:. Высшая шкала 1978, - 272с
2 Лащинский А.А , Толчннский А.Р., Основы конструирования и расчета химической аппаратуры, Машиностроение, 1970, - 752с.
3 Лащинский А.А Конструирование сварных химических аппаратов. Машиностроение, Л . 1981 -382с.
5 Краткая химическая энциклопедия. Ред. кол. П. Л. Кнунянц (отв. ред.) и др., т. 1 - М., «Советская Энциклопедия». 1961. т. (Энциклопедии. Словари. Справочники), т. 1. А — Е. 1961.1262 с. с илл.
6 А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган, Процессы и аппараты химической технологии. - М., Издательство „Химия" 1967. -821с
7 Марочник сталей и сплавов В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др.; Под общ. ред. В.Г.Сорокина.— М.: Машиностроение, 1989. — 640 с.
8 Генкин А.Э. Оборудование химических заводов М:. Высшая шкала 1970, - 352с
9 Колонные аппараты. Каталог. УКРНИИХИММАШ, 1978,-31с.
10 http://www.bibliotekar.ru/spravochnik
11 http://www.splav.kharkov.com/mat_start.php - Марочник стали и сплавов
12 http://www.php-gears.ru - Допускаемые напряжения и механические свойства материалов.
ЗМІСТВСТУП……………………………………………………………………..4
1 ОБҐРУНТУВАННЯ КОНСТРУКЦІЇ АПАРАТУ …………………….6
2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ХІМІЧНОГО ПРОДУКТУ
ТА ТЕПЛОНОСІЯ…………………………………………………………8
3 ВИБІР КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ…………………………. 10
4 РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА…………………………………………12
4.1 Вибір вихідних даних…………………………………………………12
4.2 Розрахунок корпусу на міцність….………..…………………………13
4.3 Розрахунок кожухотрубного теплообмінника …..…………….…….14
4.4 Розрахунок фланцевого з'єднання……………………………………19
4.5 Розрахунок укріплення отвору……………………………………….23
4.6 Розрахунок бічних опор………………………………………………24
ВИСНОВКИ……………………………………………………………….27
ЛІТЕРАТУРА……………………………………………………………..28
ДОДАТОК
ВСТУП
У промисловості теплообмін між робочими тілами (теплоносіями) відбувається у спеціально сконструйованих апаратах, які називаються теплообмінниками.У хімічній технології теплообмінні апарати досить широко поширені, застосовуються в різних виробництвах легкої та важкої промисловості. Для забезпечення того чи іншого технологічного процесу застосовуються різні типи теплообмінних апаратів.
Основну групу теплообмінних апаратів, застосовуваних у промисловості, складають поверхневі теплообмінники, в яких теплота від гарячого теплоносія передається холодному теплоносію через розділяючу їх стінку.
Теплообмінні апарати класифікуються:
1. За призначенням:
а) холодильники;
б) підігрівачі;
в) випарники;
г) конденсатори.
2. По конструкції:
- виготовлені з труб:
а) теплообмінники «труба в трубі»;
б) зрошувальні теплообмінники;
в) заглибні змієвикові;
г) теплообмінники повітряного охолодження;
д) з оребрених труб;
е) кожухотрубчасті теплообмінники.
- з нерухомою трубної решітками;
-з лінзовим компенсатором;
- з плаваючою головкою;
- з U-подібними трубами.
Кожухотрубчасті теплообмінні апарати використовуються для практичної реалізації таких процесів, як нагрівання (охолодження), конденсація і випаровування. Відповідно апарати називаються теплообмінниками, холодильниками, конденсаторами і випарниками.Кожухотрубні теплообмінники та холодильники виготовляють двох типів:
«Н» - з нерухомими трубними решітками і «К» - з компенсатором температурних напружень на кожусі.
Їх використовують при температурі рідких та газоподібних середовищ від -70 до +350º С від 0,6 до 16 МПа та мають поверхню теплообміну від 1 до 5000м2
Найбільша допустима різниця температур кожуха і труб для апаратів типу Н може становити 20-60ºС, в залежності від матеріалу кожуха і труб, тиску в кожусі і діаметра апарата.
Переваги кожухотрубного теплообмінного апарату:а) простота конструкції;
б) безперервна передача тепла від одного теплоносія до іншого;
в) інтенсивний теплообмін.
Недоліки жесткотрубних теплообмінників.
Недоліки:
а) металоємність;
б) температурні деформації;
Через відсутність вільного ходу пучка теплообмінних труб максимальна різниця температур середовищ обмежена, як правило не більше 40 - 50 градусів Цельсія в залежності від використовуваних конструкторських матеріалів.
При великій різниці температур продуктів, більше 50 градусів, відбувається деформація апарату, яка може викликати його руйнування.
Теплообмінник з лінзовим компенсатором
Лінзові компенсатори встановлюють на апаратах невеликого діаметру і працюють при низькому тиску. Збільшення або зменшення довжини труб через температурного впливу компенсується температурними компенсаторами на корпусі апарату. Такий апарат розширює діапазон роботи по температурі, але обмежує можливість застосування.
Теплообмінники з плаваючою головкою.
На заводах широко застосовуються теплообмінні апарати із самостійною компенсацією термічних розширень, які називають теплообмінники з
плаваючою головкою. Конструктивна відмінність в тому, що вони мають плав. головку, що не прикріплена до корпусу апарата. Така конструкція дозволяє трубному пучку вільно пересуватися при лінійному розширенні труб, не створюючи напруги і маючи можливість вільно деформуватися. Конструкція теплообмінників типу ТП ( Теплообмінник універсальний, з плаваючою головкою )набула найбільшого поширення на НПЗ
( нафтопереробний завод ). Їх конструкція дає можливість розібрати апарат для його очищення від забруднень.
Темою мого курсового проекту і є розрахунок кожухотрубного теплообмінника для нагрівання толуолу.[6,496]
1 Обґрунтування конструкції апарату1.1 Кожухотрубні теплообмінники складаються з пучка труб, а з торців кожух закритий привареними до нього двома плоскими трубними решітками. Кінці трубок закріплені в спеціальних трубних решітках шляхом розвальцьовування, зварки, паяння, а іноді на сальниках. Маса трубок складає 60 – 80% вид маси апарату. Труби розташовані усередині загального кожуха, причому один з теплоносіїв рухається по трубах, а інший – в просторі між кожухом і трубами (міжтрубний простір).
Переваги:
можливість отримання значної поверхні теплообміну при порівняно невеликих габаритах і добре засвоєна технологія виробництва;
компактність;
невелика витрата метала; легкість очищення труб зсередини.
Недоліки
- труднощі пропускання теплоносіїв з великими швидкостями;
труднощі очищення міжтрубного простору і труднощі виготовлення з матеріалів, що не допускають розвальцьовування і зварювання.
Кожухотрубні теплообмінники можуть використовуватися як для нагрівання, так і для охолодження. Теплообмінники призначені для нагріву та охолодження, а холодильники - для охолодження (водою або іншим нетоксичним, непожаро- і невибухонебезпечним хладоагентом) рідких і газоподібних середовищ.
Теплообмінники і холодильники можуть встановлюватися горизонтально або вертикально, бути одно-, дво-, чотири- і шестіходовими по трубному простору. Труби, кожух і інші елементи конструкції можуть бути виготовлені з вуглецевої або нержавіючої сталі, а труби холодильників - також і з латуні. Розподільні камери і кришки холодильників виконують з вуглецевої сталі. Схема теплообмінника з нерухомими трубними решітками приведена на рисунку. 1. У кожусі 1 розміщений трубний пучок, теплообмінні труби 2 якого развальцовани в трубних решітках 3.
Трубна решітка жорстко з'єднана з кожухом. З торців кожух апарату закритий розподільними камерами 4 і 5, Кожух і камери з'єднані фланцями.
В якості гріючого агента в теплообмінниках часто використовується насичена водяна пара яка має цілий ряд переваг:
- високий коефіцієнт тепловіддачі;
- велика кількість тепла, що виділяється при конденсації пари;
- рівномірність обігріву, так як конденсація пари відбувається при по-постійній температурі;
- легке регулювання обігріву.
Рисунок 1- Кожухотрубний теплообмінник
1.2 На основі даних завдання виконую попередній вибір апарату:
-горизонтальний кожухотрубний випарник жорсткого типу ТНГ , з нерухомими трубними решітками, з даними:
- діаметр кожуху Dз = 830мм;
- діаметр труб dт = 20х2мм,
- загальна кількість труб - 720штук;довжина труб = 4000мм
- поверхня теплообміну-180,9м2
загальна довжина апарату Lа = 5080мм
розміщення перетинок l3 = 350мм та їх кількість -8шт.
-площа прохідного перетину одного ходу по трубам 0,0706м2
-площа прохідного перетину у вирізі перетинки 0,0693м2
-площа прохідного перетину між перетинками 0,0700м2
-кількість ходів n=2
-маса води в апараті ……………………………………………………….2310кг
- масса апарата……………………………………………………… 4350кГ [9,c.51]
В якості гріючого агента використовуємо водяну пару.
1.3 Індекс для замовлення має такий вигляд:
Теплообмінник 800 ТНГ-0,6-2,5 М9/25Г-6-1-УХ ТУ 3612-024-00220302-02
кожухотрубчастий з нерухомими трубними решітками, з кожухом діаметром 800мм, розрахований на умовний тиск в трубах і кожусі 0,6МПа, у трубах 2,5МПа, виконання за матеріалом М9 (сталь 12Х17), з гладкими теплообмінними трубами – Г, діаметром 20мм, довжиною 4 м, двоходовий по трубному простору, кліматичного виконання – УХ.
2.ХАРАКТЕРИСТИКИ ХІМІЧНОГО ПРОДУКТУ ТА ТЕПЛОНОСІЯ
2.1 Толуол (інші назви толуен, метилбензол) має вигляд прозорої безбарвної рідини, яка слабо розчинна у воді. Хімічна формула толуолу С6Н5СН3, його молекулярна маса 92,15 г/моль. Толуол має солодкий, гострий запах, з порогом чутливості 2,9 частин на мільйон (проміле).
Толуол - це займиста рідина. Він дуже токсичний (має тератогенну дію та ембріотоксичність), при контакті подразнює шкіру.
Толуол розчиняє більшість органічних речовин та ряд неорганічних, таких як сірка, фосфор, йод та бром.
Толуол за своєю будовою подібний до бензолу, відмінністю є лише заміщення одного атома водню на групу CH3. Синонім - метилбензол, це безбарвна рухома летка рідина з різким запахом. Змішується з вуглеводнями, багатьма спиртами та ефірами, при цьому змішування толуолу з водою неможливе. Розчиняє полімери: полістирол при кімнатній температурі, поліетилен при нагріванні. Займистрий, згоряє з виділенням кіптяви. В даний час толуол отримують з нафтових фракцій і кам'яновугільної смоли або з бензинових фракцій піролізу.Толуол широко використовується в хімічній промисловості, застосовується для одержання вибухових речовин (тринітротолуол), фарбників, для синтезу різних сполук та в якості розчинника. Має сильну наркотичну дію. Толуол широко використовується в реакціях органічного синтезу. Гомолог бензену.
Толуол горюча речовина, пожежо- та вибухонебезпечна, спалахує без надмірних факторів впливу, а при згорянні з’являється закіптюжене полум’я. Грані вибуховості пароповітряної суміші – 1,3-6,7 %-ва концентрація;
t кіпіння – 110,6°C, t самозаймання – 535°C, t спалаху – 4°C,.токсичний і в певних умовах проявляє слабку наркотичну дію. Це речовина 3-го класу небезпеки за ступенем впливу на людський організм. При попаданні метилбензолу на шкіру і в дихальні шляхи можуть виникнути порушення в роботі нервової системи, кровотворних процесах.
2.2 Вода (оксид водню) - хімічна речовина у вигляді прозорої рідини, що не має кольору (у малому обсязі), запаху і смаку (при нормальних умовах).
- хімічна формула : Н2O.
-щільність 0,9982∙103кг/м3.[ 5,с.613]
У нормальних атмосферних умовах вода закипає при температурі +98,9ºС, з ростом тиску ця температура зростає. (При 0,2МПа вода кипить при120ºС)
В твердому стані називається льодом або снігом, а в газоподібному - водяною парою. Маючи високий тиск і відносно малу температуру, водяна пара за своїми властивостями близька до води.
В якості гріючого агенту застосовується глуха пара, яка отримується з перегрітої води. При обігріві глухою парою рідина, що обігрівається, не стикається з парою, а відокремлена від нього стінкою, через яку і передається тепло. Такий спосіб обігріву є найпоширенішим.
При обігріві глухою парою необхідно, щоб вона повністю сконденсувалась в апараті. В якості гріючого агенту в теплообміннику використовується насичена водяна пара під тиском Рпар=0,15МПа. При такому тиску пара має температуру 120°C.
Водяна пара застосовується в різних галузях промисловості, головним чином як теплоносій у теплообмінних апаратах і має цілий ряд переваг:
- високий коефіцієнт тепловіддачі;
- велика кількість тепла, що виділяється при конденсації пари;- рівномірність обігріву, так як конденсація пари відбувається при постійній температурі;
- легке регулювання обігріву.[ 5,с.171]
3 ВИБІР КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВСпецифічні умови роботи хімічних апаратів, що характеризуються діапазоном тиску від глибокого розрідження (вакууму) до надмірного тиску порядку 250МПа і вище, великим інтервалом робочих температур (від -254 до +1000С і вище) при агресивній дії середовища, пред’являють високі вимоги до вибору конструкційних матеріалів проектованої апаратури.
Разом із звичайними вимогами високої корозійної стійкості в певних агресивних середовищах до конструкційних матеріалів, вживаних в хімічному апаратобудуванні, одночасно пред’являють також вимоги високої механічної міцності, жаростійкості і жароміцності, збереження задовільних пластичних властивостей при високих і низьких температурах, стійкості при знакозмінних або повторних навантаженнях (циклічної міцності), малої схильності до старіння і ін.
Матеріал для виготовлення колон та теплообмінної апаратури вибирають відповідно до умов їх експлуатації (міцність, механічна обробка, зварюваність). Головною ж вимогою є їх корзійна стійкість. Остання оцінюється в залежності від швидкості корозії.
Переважні матеріали - швидкість корозії яких не перевищує
0,1-0,5мм/рік, а по можливості - більш стійкі (швидкість корозії 0,01-0,05мм / рік).
3.1 Матеріал корпусу.
В якості конструкційного матеріалу для основних деталей корпусу, вузлів та деталей дотичних із середовищем, вибираємо сталь хромонікелеву жароміцну та корозійностійку аустенітного класу, марки 12Х17(ГОСТ5632-72),має підвищений опір міжкристалічної корозії і стійка до аміачної води.
Хімічний склад сталі:
- вуглець 0,12%
-кремній 0,8%
-мідь 0,3%
-марганець 2,0%
-нікель 9.0-11.0%
-титан 0.6-0.8%
-фосфор, не більше - 0.035%
-хром 17.0-19.0%
-сірка , не більше 0.020%
-залізо ≈ 66%
Стали задовільно обробляються різанням і зварюваністю, та мають такі властивості:
[σ*] - нормалізоване(номінальне) допустиме напруження -140МПа, при tºС=20
Е –модуль пружності – 1,95∙105МПа, при tºС=20 [2,с.101 ]
[σ*] - нормалізоване(номінальне) допустиме напруження -130МПа, при tºС=100
Е –модуль пружності – 1,93∙105МПа, при tºС=100 [2,с.101]
λ-коефіцієнт теплопровідності- 16,4 Вт/(м∙ºС)
ρ - щильність -7900кг/м3 [2,с.101]
3.1.1 Призначення сталі - вигтовлення вузлів та деталей, що працюють до 600 ° С. Зварні апарати і посудини, що працюють в розведених розчинах азотної, оцтової, фосфорної кислот, розчинах лугів і солей та інші деталі, що працюють під тиском при температурі від -196 до +600 ° С, а при наявності агресивних середовищ до +350 ° С. Сталь зварюється без обмежень і використовуються для виготовлення систем теплообміну та деталей хімічної апаратури працюючої в агресивних середовищах при температурах до 600ºС [1,с.37].3.2 Матеріал прокладок.
Вибираємо як матеріал для прокладок – пароніт ПОН-1. Він витримує достатньо велику температуру, та не втрачає своїх властивостей в таких середовищах, як інертні, промислові, агресивні та інші гази, вода, різноманітні кислоти при високих концентраціях.
Пароніт являє собою продукт вулканізації суміші азбестових волокон (60-70%), розчинника, каучуку (12-15%), мінеральних наповнювачів (15-18%) і сірки (1,2-8,0%) і подальшого вальцювання під великим тиском.
Застосовується для ущільнення з'єднань, що працюють в середовищах: води і пари; нафти і нафтових продуктів; рідкого і газоподібного кисню, етилового спирту ( від -40 до + 200ºС) і т.і. Для підвищення механічних властивостей пароніт в деяких випадках армують металевою сіткою .
Він витримує достатньо велику температуру (-50 до + 450ºС), та не втрачає своїх властивостей в таких середовищах, як інертні, промислові, агресивні та інші гази, вода, різноманітні кислоти при високих концентраціях.
Пароніт марки ПОН-Б призначений для нерухомих з'єднань типу:
- “гладкі”,“шип-паз” та “виступ-западина” - судин, апаратів, насосів, арматури, трубопроводів, компресорів та інших агрегатів з тиском робочого середовища до 4 МПа;
Допустимий питомий тиск - 130МПа
Мінімальний питомий тиск, МПа – 20 + р
Прокладочний коефіцієнт m =2.5 [1, с.58]
4 Розрахункова частина4.1 Вибір вихідних даних:
- діаметр кожуху…………………………………………………..Dз = 830мм;
- діаметр труб……………………………………………………. ..dт = 20х2мм,
- загальна кількість труб…………………………………………….n=- 720штук;
довжина труб………………………………………………………..l = 4000мм
- поверхня теплообміну………………………………………………S=180,9м2
загальна довжина апарату…………………………………………Lа = 5080мм
розміщення перетинок l3 = 350мм та їх кількість -8шт.
-площа прохідного перетину одного ходу по трубам 0,0706м2
-площа прохідного перетину у вирізі перетинки 0,0693м2
-площа прохідного перетину між перетинками 0,0700м2
-кількість ходів n=2
-маса води в апараті ……………………………………………………….1270кг
- масса апарата……………………………………………………… 4350кГ [9,с.51]
Температура гріючої пари tпари = 120ºС
Тиск у міжтрубному просторі Рап = 0,15МПа
Тиск у трубному просторі Рт = 0,3МПа
Матеріал корпусу та труб 12Х17
4.1.1 Розрахунковий тиск
Розрахунковий тиск приймаємо рівним робочому, так як відсутні причини
які викликають перевищення робочого тиску.
Ррозр = Рроб
4.1.2 Розрахункова температура
4.1.2.1 Розрахункова температура корпусу
tрозр.к = tпар + 20С (1)
tрозр.к = 120 +20 = 140С
4.1.3 Допустиме напруження
[] = * (2)
де *- нормативне допустиме напруження, МПа
- поправочний коефіцієнт [1,с.36]
Для матеріалу корпуса апарату та труб
η = 0,95 – друга категорія небезпеки хімічних продуктів
При температурі 140С нормативне допустиме напруження,
[σ]корп* = 140МПа
[σ] =0,95∙140=133МПа
4 1.4 Коефіцієнт міцності зварювального шва [1, с.38]
Для корпусу φ = 0,95, так як процес проходить під підвищеним тиском, з контролем швів 100%
Для труб φ = 0,95 з контролем швів 100%.
4.1.5 Визначаємо додаток на корозію, мм
С = С1 + С2 (3)
де С1 - конструктивний додаток на корозію, мм [1, с.39]
С2 - конструктивний додаток, враховуючий мінусове відхилення товщини листа, мм
С1 = ν∙τ (4)
де ν - швидкість корозії, мм/рік
τ - строк служби апарату, рік 4.1.5.1 Для корпусу
Приймаємо τ =10років; ν = 0,1мм/рік.; С2 = 0,8мм; [1, с.102]
С1= 0,1 ∙ 10 = 1мм
С = 1 + 0,8 = 1,8мм
4.1.5.2 Для труб
Приймаємо τ =10років; ν = 0,1мм/рік.; С2 = 0,2мм;
С1= 0,1 ∙ 10 = 1мм
С = 1 + 0,2 = 1,2мм
4.2 Розрахунок корпусу та труб на міцність
4.2.1 Визначити товщину стінки корпусу з розрахунку на міцність при дії внутрішнього та зовнішнього тиску.
4.2.1.1 Розрахунок товщини стінки корпусу
4.2.1.1.1 Розрахунок обичайки
4.2.1.1.1.1 Розрахунок на внутрішній тиск [1,с.35]
(5)де Pm- розрахунковий тиск, МПа
D – діаметр камери, мм
[] – допустиме напруження, МПа
- коефіцієнт міцності зварного шва
Ск – прибавка на корозію, мм
=2,2мм4.2.1.1.2 Розрахунок кришки та днища.
4.2.1.2.1 Розрахунок на внутрішній тиск кришки та днища.
S =
(6)R - радіус кривизни у вершині еліптичного днища з умов стійкості форми.
R = D = 800мм
Визначаємо товщину стінки днища з умов стійкості форми
(7)де КЭ – коефіцієнт визначений в залежності від величин L/D та R/(S-C)
L/D = 5160/800 = 6,45;
800/(2,2-1,5) = 1143
КЭ = 1 [1,c.47];
Визначаємо товщину стінки днища з умов міцності
(8)
Визначимо коефіцієнт β1, за формулою: 
(9)де σТ – межа текучості матеріалу корпусу, МПа σТ =240МПа [2,с.95];
[σ] – допустиме напруження, МПа
Рсор – внутрішній тиск, МПа
= 0,61
= 1,48ммПриймаємо для виготовлення корпусу апарату лист товщиною стали
S = 15мм
4.3 Розрахунок теплообмінника та його елементів.
4.3.1 Розрахунок теплообмінних трубок
Трубки розраховуються як довга обичайка на внутрішній і зовнішній тиск.
4.2.3.1 Розрахунок труб на внутрішній тиск
(10)де РТВ – внутрішній тиск у трубах, МПа
dЗ – зовнішній діаметр труб, мм
4.2.3.2 Розрахунок труб на зовнішній тиск за формулою
S =
(11)де Е –модуль пружності матеріалу труб; Е = 1,96 105МПа [3,с.158]
4.3.1.3 Розрахунок числа труб однієї секції теплообміннику.
=314шт.
Приймемо 367 труб.4.3.2 Розрахунок умов міцності корпусу та труб.
т =
≤ [т] (12) к =
≤ [к] (13)Визначення температурних зусиль [2,с.93]
4.3.2.1 Визначаю температурні зусилля після встановлення температурного компенсатора, за формулою:
(14)tт , tк - температура труб і кожуху,С
Е - модуль пружності матеріалу труби і корпусу, МПа
Fт Fк – відповідно площа перетину труб теплообмінника і корпусу,мм2
кт - коефіцієнт лінійного подовження матеріалу кожуха і труб теплообмінника,С-1
у – коефіцієнт гнучкості лінзового компенсатора, мм/Н;
Z –кількість лінз компенсатора;
l – довжина труб теплообмінника, м;
кт= 10,410-6C-1[2,101]
Eкт = 2,32105МПа [2,101]
4.3.2.2 Визначення площини перетину кожуху і труб
4.3.2.2.1 Площина перетину корпусу
Fк = (Dсер + S)∙S (15)
де: S- товщина стінки апарата, мм,
Dсер- середній діаметр апарата, мм.
Fк = 3,14(800 + 15)·15 = 38390мм2
4.3.2.2.2 Площина перетину труб
(16)де dЗ- зовнішній діаметр труб, мм,
п- кількість труб, шт.,
dвн - внутрішній діаметр труб, мм.
FT = 0,785·(202-162)·265 = 35490мм2
4.3.2.2.3 Визначаю коефіцієнт гнучкості лінзового компенсатора, мм/Н;
(17)де α1 – коефіцієнт який залежить від β
Ел – модуль пружності матеріалу лінзи
Sл – товщина стінкі лінзи,мм
(18)Dл =962мм [ 9,с.15]
=0,863α1 = 7,17; λ=0,215 [1,с.94]
= 3,7·10-3мм/Н4.3.2.2.4 Тоді, температурні зусилля;
4.3.3 Визначаю спосіб з'єднання труб з трубною решіткою.4.3.3.1 Визначаю зусилля на одну трубу.
q = qт + qp (19)
qт - зусилля від температури на одну трубу, Н,
qp - зусилля від тиску на одну трубу, Н.
4.3.3.2 Зусилля від температури на одну трубу
qт =
(20)
4.3.3.3 Зусилля від тиску на одну трубу
qт =
(21)Зусилля від тиску
(22)де: Рн; Рт - тиск в міжтрубному і трубному просторі, МПа,
D - внутрішній діаметр кожуха, мм,
dзов; dвн - зовнішній і внутрішній діаметр труб, мм,
п - число труб.
QPТ = 0,15·0,785·(8002-367·202)+0,3+0,785·367·162 =13,2∙104Н
Тоді
q = 38.4+ 359.6=398Н
4.3.3.4 Перевіряю з'єднання труб з трубною решіткою. Визначаю напруження для з'єднання труб з трубною решіткою
(23)де dЗ - зовнішній діаметр труби, мм
q- загальне зусилля на трубу від температури і тиску, Н
[σ]- допустиме зусилля. Н/мм.
Приймаю з’єднання труб з трубною решіткою розвальцюванням отворів з канавками та відбортуванням, так як допустиме навантаження, яке приходиться на одиницю площини умовної поверхні [σ] = 7МПа [4,с.184]
4.3.4 Визначення товщини трубної решітки
Товщину трубної решітки приймаю по найбільшому значенню з двох величин
Sтр =
(24)
Sтр=
(25)де D – внутрішній діаметр кожуха, мм
Рк; РT – тиск у міжтрубному та в трубному просторі відповідно
ψ- коефіцієнт послаблення решітки отворами [4,c.182]
См; Ст – безрозмірні коефіцієнти
k1- коефіцієнт ( k1 = 0,55 – 0,6) [7,182]
4.3.4.1 Визначимо безрозмірні коефіцієнтиСm =
(26)Ст =
(27)де ρ – відношення жорсткості труб до жорсткості кожуха
4.3.4.1.1 Визначимо відношення жорсткості труб до жорсткості кожуха
(28)де Ет Ек - відповідно модуль пружності матеріалу труби і корпусу, МПа
dз – зовнішній діаметр труби, мм
dв - внутрішній діаметр труби, мм
n – кількість труб теплообмінника
D –діаметр теплообмінника, мм
Sк – товщина стінки теплообмінника, мм
За формулами (25), (26) визначаю коефіцієнти Cm та Cт;
4.3.4.1.2 Коефіцієнт , послаблення решітки отворами, визначаю за формулою:
=
(29)де t – шаг трубок, мм, рівний
t = 1,35 dз (30)
t = 1,35 ∙ 20 = 27мм
dз - зовнішій діаметр трубок, мм
=0.2594.3.4.1.3 За формулами (24), (25) визначаю товщину трубної решітки
=4,9мм
=19,6ммПриймаю товщину трубної решітки 20мм.
4.4 Вибір фланцевого з'єднання
4.4.1 Вибираю тип фланця. Приймаю фланець тип 1.[2,с.551]
Рисунок 2 – До розрахунку фланцевого з’єднання.
Внутрішній діаметр фланця D =800мм
Діаметр болтового кола Dб = 880мм
Зовнішній діаметр фланця Dз = 920мм
Зовнішній діаметр прокладки (D1) Dпр = 842мм
Діаметр болтового отвору d =23мм
Товщина фланця h = 20мм; h1 =4мм
Товщина стінки апарату S0 =15мм
Кількість отворів для болтів z = 28
Приймаємо болти М22
Матеріал болтів Сталь 35
Матеріал фланця Ст.3
Площа поперечного перетину болта fб=276мм2 [2, с.538]
4.4.2 Визначаємо допустиме напруження для фланця та болтів:
при температурі монтажу
t=18ºС []ф18=140 МПа []б18=140МПа [1, 37]
при розрахунковій температурі
t=120ºС []фt=140 МПа []бt=140МПа [1, 37]
4.4.2.1 Вибираємо плоску прокладку з пароніту.
При діаметрах прокладки D ≤1000мм [7, 65] ширина b =10 -15мм.
Розрахункова ширина прокладки
(29)
=7,4мм 4.4.2.2 Визначаємо середній діаметр прокладки
(30)
= 821ммКоефіцієнт для матеріалу прокладки т =2,5 [1, с.58]
Допустимий питомий тиск на прокладку [q] = 130МПа[1, с.58]
Мінімальний питомий тиск q =20 + Рап[1, с.58]
q =20 + 0,15 = 20,15МПа
4.4.2.3 Рівнодіюча сил внутрішнього тиску
(31)QД = 0,785·8212 ·0,15 = 7,9·104 Н
4.4.2.4 Реакція прокладки в робочих умовах
RП = π·D2СЕР.ПР ·b0 ·m·РВН (32)
Rп =3,14·8212·7,4·2,5·0,15 = 5,8·106Н
Визначаємо осьові навантаження на болти
4.4.2.5 В умовах монтажу
Приймаємо найбільше з двох значень
(33)
(34)де М - додатковий виникаючий момент.
У даному випадку величина М=0.
Коефіцієнт φ, сприймаємо як найменший з двох значень
(35)φСЕР =
4.4.2.6 Коефіцієнт жорсткості фланцевого з'єднання α =1,3[1,c. 60]
Рб1 = 3,14 · 7,4 ·821· 20,15=3,84·105Н
5,9·106НПриймаємо Рб1 = 5,9∙106 H
4.4.2.7 Визначаємо осьове навантаження при робочих умовах
(36)4.4.2.8 Температурні зусилля
(37)де V - коефіцієнт, який дорівнює 0,09[1,59]
tб = 0,95∙ tф = 0,95∙120=114ºC
=0,95
Коефіцієнт лінійного розширення матеріалу фланця і болта
αф = 10,4∙10-6 1/ºC [ 2,с.101]
αб = 12,1∙10-6 1/ºC[ 2,с.101]
Емб =2,02∙105МПа[ 2,с.101]
4.4.2.9 Напруження у болтах при робочих умовах
(38)
[σ]тБ = 140МПа[1,с.37]
Напруження у болтах в умовах монтажу
(39)
Висновок: умова міцності болтів виконується.
4.4.2.10 Перевіряємо міцність прокладки
(40)[q] = 130МПа
q = 8,13МПа < [q] = 130МПа
Висновок: умова міцності прокладки виконується
4.4.2.11 Перевіряємо фланець на міцність.
Приймаємо приведений вигинаючий момент найбільший з двох значень
(41)
(42)
Приймаємо М0 = 1,97∙108 Н∙ммSВ = f · S0 (43)
де f- визначаємо [1, c.63] в залежності від величин: β=1
f= 1,3
Тоді
Sэ =1.3· 15 =19,5мм
4.4.2.13 Оточуюче напруження в кільці фланця
(44) 4.4.2.14 Визначаємо коефіцієнти
Для знаходження ψ1 та ψ2 визначимо відношення:
К = DЗ/ D = 920/800=1,15
Тоді ψ1 = 1,15 [7,c.70]
ψ2 = 4,1[7,c.71]
4.4.2.15 Перевіряємо герметичність фланцевого з'єднання по формулі
(45)
Визначаємо допустимий коефіцієнт жорсткості [φ] = 9∙10-3 для D ≤ 2000мм [1c.,63]
φ = 7,86∙10-3 ≤ [φ] = 9∙10-3
Висновок: Умова виконується, герметичність забезпечується.
Загальний висновок: фланець до експлуатування придатний.
4.5 Розрахунок укріплення отвору
Перевіряємо укріплення отвору для штуцера, який знаходиться в кришці
апарату.
Рисунок 3 - До розрахунку отвору
4.5.1 Визначаємо діаметр одиночного отвору, не вимагаючого укріплення
(46)де S - дійсна товщина стінки обичайки, мм
Sp - розрахункова товщина стінки обичайки, мм
Dp - розрахунковий діаметр обичайки, мм
Для еліптичної кришки Dp = 0.5 ∙ DBH
Dp = 0.5 ∙ 800 = 400мм
Отвір не потребує укріплення, так як d0 = 370,3мм більше dШТ.1 = 200мм.
4.6 Розрахунок сідлоподібних опор за заданими умовами:
4.6.1 Реакція опор для апарата, встановленого на двох опорах,
Qa = Qb = 0,5G
де G - вага апарату в робочому стані, МН;
4.6.2 Визначаємо вагу апарату по каталогу. Gmin =4350кг [9,c.51]
Gmin = 4350∙9,81=42670Н
4.6.2.1 Визначаємо вагу води при гідроіспиті
Маса води в апараті-2310кг[9,c.52]
4.6.1.2 Визначаємо максимальну вагу апаратуGmax = Gmin + Gв (47)
де Gmin-вага пустого апарату;
Gв- вага води при гідроіспиті
Gmax = 42670+ 22660 = 65330Н
4.6.1.3 Вибираємо 3 сідлови опори типу ОГ (МН 5132-63), для апаратів діаметром 830мм., на навантаження G = 17МН.[2,c.680]
Тоді
Qa = Qb = 0,5∙65330=32670Н
4.6.1.4 Основні геометричні розміри опори, зображеної на рисунку 4, приведені в міліметрах:
4.6.1.5 Згинальний момент в середині апарату
a) (48)де а-відстань від центра опори до кришки апарата,мм
Рисунок 4- Сідлова опора
Роміри опори - L =750; l=705; B=200; b=180; H=440; A=500; R=422;
4.6.1.6 Згинальний момент в перерізі апарату під опорою
) (49) Коефіцієнти f1; f2; f3, залежать від параметрів L/D та НK / D;
д е НK – висота кришки, НK =300мм
L – довжина апарата L=5080мм;
D – діаметр апарата D=630мм ; L/D =5080/830=6,12
НK / D = 0, 361;
з графіків 14.13;14,14; 14.15 [3,с.296] знаходимо:
f1 = 0,23; f2 =1,12; f3 = 0,04;
4.6.1.7 Відстань між опорами l = 0,586L (50)
де L – довжина апарату, мм
l = 0,5865080 =2977мм
4.6.1.8 Згинальний момент в середині апарату
4.6.1.9 Згинальний момент в перерізі апарату під опорою
4.6.1.10 Міцність стінки апарату від спільної дії внутрішнього тиску Рпар і вигину від реакції опор перевіряємо в двох перетинах:
- посередине прольоту, за формулою:
(51)- над опорою, за формулою:
.. (52)де Рпар – внутрішній тиск в апараті, МПа
Кδ = f (δ) - коефіцієнт для обичайок, не укріплених кільцями жорсткості в опорному перерізі, в залежності від кута обхвату δ, апарату сідловою опорою;
Кδ =0,12
S-товщина стінки апарату, мм;
С- конструктивний додаток на корозію, мм;
- коефіцієнт міцності зварного шва, = 1
[σ] - допустиме напруження для матеріалу корпуса апарата, МПа.
Для сталі 12Х17, [σ] = 142,5МПа
і над опорою
.
Умови виконується, опори вибрані вірно.
висновкИЗавдання видане на проектування двоходового кожухотрубного теплообмінника я виконав повністю.
В результаті роботи над курсовим проектом були проведені наступні розрахунки:
- визначення товщини стінки корпусу та днища при дії внутрішнього та зовнішнього тиску та перевірка їх на міцність;
- теплообмінних труб на міцність при дії внутрішнього та зовнішнього тиску;
- теплообмінника та його елементів.
- фланцевого з'єднання;
- укріплення отвору;
- сідлових опор;
На підставі отриманих розрахункових даних виконав графічну частину завдання.