- •1 Конструкция теплообменных аппаратов
- •1.1 Классификация теплообменных аппаратов и предъявляемые к ним требования
- •1.2 Кожухотрубчатые теплообменные аппараты, типы и конструктивное исполнение
- •1.2.1 Кожухи и распределительные камеры
- •1.3 Аппараты воздушного охлаждения
- •1.4 Теплообменные аппараты типа -«труба в трубе»
- •1.5 Погружные аппараты
- •1.6 Оросительные аппараты
- •1.7 Пластинчатые теплообменники
- •1, 9, 10 И 12 — штуцера; 2 — неподвижная плита; 3 — штанга; 4 — теплообменная пластин 5 и 6 — прокладки; 7 — стойка; 8 — винт; 11 — нажимная плита; а, б, в и г — проходные отверстия
- •1.8 Спиральные теплообменные аппараты
- •2 Технологический расчет оборудования
- •2.1 Теплотехнический расчет теплообменных аппаратов
- •2.2 Тепловые балансы теплообменных аппаратов
- •2.3 Средняя разность температур теплоносителей
- •2.4 Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи
- •2.5 Теплопередача в поверхностных теплообменниках
- •2.6 Последовательность расчета и подбора кожухотрубчатого теплообменника
- •2.7 Гидравлический расчет кожухотрубчатых теплообменных аппаратов
- •2.7.1 Расчет потери давления в трубном пространстве
- •2.7.2 Расчет потери давления в межтрубном пространстве
- •3 Механический расчёт теплообменника
- •Литература
- •Приложение
- •Редактор л.А.Матвеева
- •450062, Г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.
- •453118, Г.Стерлитамак, пр. Октября, 2.
3 Механический расчёт теплообменника
3.1 Выбор конструкционных материалов
Для изготовления кожуха, распределительной камеры, крышек, крышек теплообменника приняли конструкционный материал, согласно ГОСТ 14637-79
Для изготовления трубной решётки теплообменника приняли конструкционный материал согласно ГОСТ 8733-74.
Маркируем теплообменник:
800 ТНГ – 0,6 – 0,4 – М - 2
25 Г -6
3.2 Механические свойства сталей
Согласно [6, с.39, 57, 66] составим таблицу 7.
Таблица 7 – Механические свойства сталей
Материал |
Технические требования |
в |
|
m |
B Cm 3 Сп 5 |
ГОСТ 380 - 71 |
380 |
26 |
250 |
Сm 20 |
ГОСТ 8731 - 74 |
420 |
21 |
3.3 Определение допускаемых напряжений
Допускаемое напряжение для рабочих условий , МПа. для сталиB Cm 3 Сп 5 определим по таблице:
Таблица 8 - Допускаемые напряжения для сталей
Расчетная температура, °С |
Допускаемое напряжение σ* МПа, для сталей | |||||||||||||
ВСт3 |
20, 20К |
09Г2С, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 10Г2С1 |
10Г2 |
12ХМ |
12ХМ |
15Х5М |
15Х5М-У |
15Х5М-У |
08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т |
03Х21Н21 М4ГБ |
03Х18Н11 |
03Х16Н15 МЗ |
06ХН28М ДТ, 03ХН28МДТ | |
20 |
140 |
147 |
183 |
180 |
147 |
147 |
155 |
146 |
240 |
240 |
180 |
160 |
153 |
147 |
100 |
134 |
142 |
160 |
160 |
- |
- |
- |
141 |
235 |
207 |
173 |
133 |
140 |
138 |
150 |
131 |
139 |
154 |
154 |
- |
- |
- |
138 |
230 |
200 |
171 |
125 |
130 |
130 |
200 |
126 |
136 |
148 |
148 |
145 |
145 |
152 |
134 |
225 |
193 |
171 |
120 |
120 |
124 |
250 |
120 |
132 |
145 |
145 |
145 |
145 |
152 |
127 |
220 |
173 |
167 |
115 |
113 |
117 |
300 |
108 |
119 |
134 |
134 |
141 |
141 |
147 |
120 |
210 |
167 |
149 |
112 |
103 |
110 |
350 |
98 |
106 |
123 |
123 |
137 |
137 |
142 |
114 |
200 |
- |
143 |
108 |
101 |
107 |
375 |
93 |
98 |
116 |
108 |
135 |
135 |
140 |
110 |
180 |
- |
141 |
107 |
90 |
105 |
Продолжение таблицы 8
Расчетная температура, °С |
ВСт3 |
20, 20К |
09Г2С, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 10Г2С1 |
10Г2 |
12ХМ |
12ХМ |
15Х5М |
15Х5М-У |
15Х5М-У |
08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т |
03Х21Н21 М4ГБ |
03Х18Н11 |
03Х16Н15 МЗ |
06ХН28М ДТ, 03ХН28МДТ |
400 |
85 |
92 |
105 |
92 |
132 |
132 |
137 |
105 |
170 |
- |
140 |
107 |
87 |
103 |
410 |
81 |
86 |
104 |
86 |
130 |
130 |
136 |
103 |
160 |
- |
- |
107 |
83 |
- |
420 |
75 |
80 |
92 |
80 |
129 |
129 |
135 |
101 |
155 |
- |
- |
107 |
82 |
- |
430 |
70 |
75 |
86 |
75 |
127 |
127 |
134 |
99 |
140 |
- |
- |
107 |
81 |
- |
440 |
- |
67 |
78 |
67 |
126 |
126 |
132 |
96 |
135 |
- |
- |
107 |
81 |
- |
450 |
- |
61 |
71 |
61 |
124 |
124 |
131 |
94 |
130 |
- |
- |
107 |
80 |
- |
460 |
- |
55 |
64 |
55 |
122 |
122 |
127 |
91 |
126 |
- |
- |
- |
- |
- |
470 |
- |
49 |
56 |
49 |
117 |
117 |
122 |
89 |
122 |
- |
- |
- |
- |
- |
480 |
- |
44 |
53 |
44 |
114 |
114 |
117 |
86 |
118 |
- |
- |
- |
- |
- |
490 |
- |
- |
- |
- |
105 |
105 |
107 |
83 |
114 |
- |
- |
- |
- |
- |
500 |
- |
- |
- |
- |
96 |
96 |
99 |
79 |
108 |
- |
- |
- |
- |
- |
520 |
- |
- |
- |
- |
69 |
69 |
74 |
66 |
85 |
- |
- |
- |
- |
- |
540 |
- |
- |
- |
- |
50 |
47 |
57 |
54 |
58 |
- |
- |
- |
- |
- |
560 |
- |
- |
- |
- |
33 |
- |
41 |
40 |
45 |
- |
- |
- |
- |
- |
* (22)
где n – поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки
* - нормативно допускаемое напряжение, МПа
Допускаемое напряжение из условия испытания , МПа определим по формуле
(23)
где m20 - минимальное значение предела текучести при температуре 20 0С, МПа.
Таблица 9 – Предел текущей стали
Температура t, 0С
|
Марка стали |
Температура t, 0С |
Марка стали | ||||||
ВСт3 |
10 |
20 20К |
09Г2С 16ГС |
ВСт3 |
10 |
20 20К |
09Г2С 16ГС | ||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
20 |
210 |
195 |
220 |
280 |
350 |
147 |
132 |
159 |
185 |
100 |
201 |
188 |
213 |
240 |
375 |
140 |
123 |
147 |
174 |
150 |
197 |
183 |
209 |
231 |
400 |
- |
- |
- |
158 |
200 |
189 |
177 |
204 |
222 |
410 |
- |
- |
- |
156 |
250 |
180 |
168 |
198 |
218 |
420 |
- |
- |
- |
138 |
300 |
162 |
150 |
179 |
201 |
|
|
|
|
|
3.4 Определение пробного давления испытания согласно [2, с.9]
(24)
где Pp - расчётное давление, МПа
3.5 Определение прибавки к расчётной толщине стенки
Прибавка для компенсации коррозии и эрозии определяли согласно по формуле
(25)
где Сэ - прибавка для компенсации эрозии;
П - проницаемость среды в материале ( скорость коррозии)
- срок службы аппарата.
3.6 Расчёт на прочность цилиндрической обечайки
Расчётная толщина стенки цилиндрической части корпуса, определяется по формуле:
(26)
где Pp - расчётное давление, МПа;
Pи - пробное давление, МПа;
- коэффициент прочности сварного шва;
- допускаемое напряжение при рабочих условиях, МПа;
- допускаемое напряжение из условия испытания, МПа.
Коэффициент прочности сварного шва принимали по таблице 10.
Таблица 10 - Коэффициент прочности сварных швов (φ)
Вид сварного шва
|
φ | |
при контроле 100% длины шва |
при контроле от 10 до 50% длины шва | |
Стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполненный автоматической или полуавтоматической сваркой |
1,0 |
0,9 |
Стыковой с подваркой корня шва или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполненный вручную |
1,0 |
0,9 |
Стыковой, доступный сварке только с одной стороны и имеющий в про0цессе сварке металлическую подкладку со стороны корня шва |
0,9 |
0,8 |
Тавровый, с конструктивны зазором свариваемых деталей |
0,8 |
0,65 |
Стыковой, выполненный автоматической или полуавтоматической сваркой с одной стороны, с флюсовой или керамической подкладкой |
0,9
|
0,8
|
Стыковой, выполненный вручную с одной стороны |
0,9 |
0,65 |
Исполнительная толщина стенки S, м определяется по формуле:
S=Sp+C+C0 (27)
где Sp - расчётная толщина стенки
C - прибавка к расчётной толщине стенки. М;
C0 - прибавка на округление размера до стандартного размера, м
По рекомендациям ОСТ 26-91 и по соображениям жёсткости конструкции принимаем S = 6мм
3.7 Определение толщины крышки
Расчётная толщина крышки Sпр определяется по формуле:
(28)
где к – коэффициент, учитывающий тип закрепления крышки.
3.8 Определение толщины трубной решётки.
Толщина трубной решётки S ,м, определяется исходя из условия закрепления труб сваркой по формуле:
(29)
где dн - наружный диаметр трубок, м;
t - шаг трубок, м
Выбор фланцевого соединения
Согласно [ 2, с.91] приняли плоские приварные фланцы типа выступ-впадина. Материал BCm 3 Сп 3
3.10 Расчёт температурных напряжений в трубах и корпусе
Расчёт ведём по формуле
(30)
где - коэффициент линейного расширения материала и труб соответственно
tк,tт - средняя температура корпуса и труб;
Ек,Ет - модуль продольной упругости материала корпуса и труб соответственно Па;
Fт,Fк - площадь сечения труб и корпуса соответственно.
Fт=n··(dн2-dвн2) (31)
где n- общее число труб;
dн- наружный диаметр труб, м;
dвн- внутренний диаметр труб, м
Площадь сечения корпуса
Fк = (Дн2-Двн2) (32)
где Дн - наружный диаметр аппарата, м;
Двн - внутренний диаметр аппарата, м.
Примеры технологического, гидравлического и механического расчетов теплообменных аппаратов приведены в [8].
Варианты контрольных заданий
Рассчитать и пообобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого теплообменного аппарата при следующих данных:
Рабочая среда
|
Назначение аппарата |
Параметры рабочей среды | ||||
Массовый расход G, кг/ч |
температура, 0С |
абсолютное давление Pх10-5, Па |
допускаемые потери давления Pх10-5, Па | |||
начальная |
конечная | |||||
Спирт этиловый |
холодильник |
22000 |
90 |
40 |
1,5 |
0,20 |
Бензол |
30000 |
100 |
30 |
2,0 |
0,13 | |
Толуол |
16000 |
110 |
25 |
1,3 |
0,12 | |
Этилацетат |
18000 |
77 |
30 |
10,0 |
0,15 | |
Азот |
26000 |
150 |
20 |
2,0 |
0,3 | |
Хлорбензол |
12000 |
130 |
30 |
1,5 |
0,15 | |
Кислота уксусная (50%) |
24000 |
90 |
40 |
1,0 |
0,11 | |
Воздух |
нагреватель |
12000 |
20 |
110 |
2,5 |
0,19 |
Хлорбензол |
20000 |
30 |
100 |
1,3 |
0,20 | |
Четырёххлористый углерод |
14000 |
25 |
90 |
2,0 |
0,13 | |
Спирт метиловый |
22000 |
35 |
100 |
3,0 |
0,25 | |
Азот |
7000 |
30 |
130 |
2,0 |
0,30 | |
Толуол |
16000 |
25 |
95 |
1,3 |
0,12 | |
Спирт этиловый |
26000 |
40 |
90 |
1,5 |
0,20 | |
Бензол |
10000 |
40 |
70 |
1,0 |
0,14 | |
Бензол |
конденсатор |
9500 |
- |
- |
2,5 |
0,16 |
Толуол |
12000 |
- |
- |
1,3 |
0,23 | |
Уксусная кислота (50%) |
2000 |
- |
- |
1,5 |
0,16 | |
Спирт бутиловый |
5500 |
- |
- |
1,0 |
0,11 | |
Толуол |
10000 |
- |
- |
1,5 |
0,20 | |
Спирт метиловый |
18000 |
- |
- |
1,5 |
0,12 | |
хлорбензол |
3500 |
- |
- |
1,2 |
0,14 | |
Спирт этиловый |
8000 |
- |
- |
1,5 |
0,18 | |
Четырёххлористый углерод |
21000 |
- |
- |
2,0 |
0,16 | |
Бензол |
испаритель |
18000 |
40 |
- |
1,4 |
- |
Толуол |
32000 |
30 |
- |
1,2 |
- | |
Спирт этиловый |
24000 |
25 |
- |
1,0 |
- | |
Спирт бутиловый |
48000 |
20 |
- |
1,1 |
- | |
Четырёххлористый углерод |
21000 |
28 |
- |
1,2 |
- | |
Уксусная кислота (50%) |
20000 |
35 |
- |
1,3 |
- |