Проектирование теплообменника типа ККВ

Выбираем  фланцы приварные встык по ГОСТ 28759.1-9.

Рисунок 6 – Центры тяжести элементарных сечений фланца

 

                                                             (4.63)

 

где R₁, R₂, R₃, R₄ – расстояния от оси фланца до центров тяжести элементарных площадей (рисунок 6);

S₁, S ₂, S ₃, S ₄ – площади элементарных участков.

 

 

К₁ =К₂= 23,73·0,3·1,89·10¹¹·0,01³/0,342·5,5 = 715306 Н·м/м

 

Коэффициент жесткости фланцевого соединения при  изгибе, МН·м/м

 

        

,        (4.64)

 

где h₁, h₂ – толщины тарелок фланцев кожуха и камеры соответственно, h₁=59мм, h₂=59мм.

b₁, b₂ – ширина тарелки фланцев кожуха и камеры соответственно, b₁=97,5 мм, b₂=97,5мм.

Е - модуль упругости материалов фланцев кожуха и камеры,

Е=1,89·10⁵ МПа;

 

 

 

Приведенное отношение жесткости труб к жесткости  фланцевого соединения:

                                                    

                                          (4.65)

 

 

Коэффициенты, учитывающие влияние давления среды  в аппарате на изгиб фланцев кожуха и камеры соответственно:

 

                                                 

                                        (4.66)

 

                                                     (4.67)

 

 

Коэффициенты, учитывающие влияние беструбного  края решетки на поддерживающую способность  труб:

 

                                   

,                           (4.68)

 

                                                             

,                                            (4.69)

 

                                                          

.                                          (4.70)

 

где t = 1+1,41 · ω · (m_n - 1) = 1 + 1,4 · 3,24 · (1,075-1) = 1,34;

Ф₁, Ф₂, Ф₃ - коэффициенты, определяемые по таблице [3] в зависимости от параметров ω и С_и;

 

Ф₁ = 4,95, Ф₂ = 3,26, Ф₃ = 5;

 

,

 

,

 

 

 

 

4.6 Расчет усилий

 

Расчет  усилий и моментов производится для  различных сочетаний и температур р_м, р_т, t_k, t_T, которые могут иметь место при пуске , остановке и эксплуатации, с целью выяснения возможных максимальных нагрузок на элементы аппарата

Приведенное давление, МПа:

 

      

     (4.71)

 

где α_K, α_T – коэффициенты линейного расширения материалов кожуха и

труб, α_K = 13,3·10^-6 1/⁰С, α_T = 16,6·10^-6 1/⁰С;

t_K, t_T, t₀ – средняя температура соответственно стенки кожуха и стенок труб и температура сборки аппарата, t_K = 130⁰С, t_T = 100 ⁰С, t₀=20⁰C;

m_cp – коэффициент влияния давления на продольную деформацию, определяемые по формулам:

 

                    

          (4.72)

 

 

Вспомогательная величина р₁, МПа:

 

                                              

                           (4.73)

 

 Па;

 

Изгибающий  момент (Нм/м) и перерезывающая сила (Н/м) в месте соединения трубной решетки с кожухом или фланцем :

 

                                         

                         (4.74)

 

                                            

                           (4.75)

 

 Н·м

 

 Н/м.

 

Изгибающий  момент (Нм/м) и перерезывающая сила (Н/м),  распределенные по контуру перфорированной части трубной решетки:

      

                                                    М_а = М_п + (а - a₁) · Q_п;                                  (4.76)

 

                                                           Q_a = m_n · Q_п;                                       (4.77)

 

M_a = - 9,924 · 10³ + (0,3 - 0,279) · 0,518 · 10⁶ = 967 Н м/м

 

Q_a = 1,075·0,518·10⁶ = 0,557·10⁶ Н/м

 

Изгибающий момент (Нм/м) и осевая сила (Н/м) в месте соединения кожуха с трубной решеткой:

                                     

                            (4.78)

 

 

Изгибающий  момент (Нм/м) и осевая сила (Н/м) в месте соединения трубы с трубной решеткой:

 

          ,                        (4.79)

 

где J_т – момент инерции сечения трубы, J_т=π· d_н⁴·(1-α⁴)/32= (3,14·(25·10^-3)⁴) ·(1-0,8)⁴/32=22,6·10^-9 мм; α=d_в/d_н=20/25=0,8;

d_в, d_н – внутренний и наружный диаметры труб соответственно.

L_пр=l_1R/3=0,945/3=315·10^-3 мм; l_1R – максимальный пролет между решеткой и перегородкой (ГОСТ 15119-79).

 

                   (4.80)

 

,

 

 

 

          Усилие, распределенное по периметру  кожуха:

 

                                                      

                                      (4.81)

 

           Суммарная  осевая сила, действующая на кожух:

 

                                                        

                                       (4.82)

 

 

 

4.7 Расчетные напряжения в элементах конструкции

 

Напряжения  в трубной решетке в месте  соединения с кожухом:

- изгибные

                                         σ_р1 = [6·│M_n│]/(s_1p - c)²                            (4.83)

 

σ_р1 = [6·9,924·10³]/(0,048)²=25 МПа

 

- касательные

                                             τ_р1 = │Q_n│/(s_1p - c)                              (4.84)

 

τ_р1 = [0,518·10⁶]/0,048=10,8 МПа

 

Напряжения  в перфорированной части трубной  решетки:

 

                                        σ_р2 = 6M_max/φ_р(s_p - c)²,                                (4.85)

 

где М_max – максимальный расчетный изгибающий момент в пефорированной части трубной решетки.

 

                                              М_max=A·│Q_a│/β,                                (4.86)

 

где А – коэффициент, определяемый по приложению в зависимости от  ω и m_а; А=0,376.

 

М_max=0,376·0,557·10⁶/11,61=18055 Н·м,

 

σ_р2 = 6· 18055/0,203· (0,048)² = 231 МПа

 

                                                  τ_р2 = │Q_а│/φ_р(s_p - c),                        (4.87)

 

τ_р2 = 0,557·10⁶/0,203·0,048 = 57,2 МПа

 

Напряжения  в кожухе в месте присоединения  к решетке:

1) в меридиональном  направлении:

- мембранные

                                           σ_Мх = │Q_к│/(s₁ – c_к),                              (4.88)

 

   σ_Мх =│0,068·10⁶│/0,0072 = 9,5 МПа

 

- изгибные

                                        σ_Их =6 │М_к│/(s₁ – c_к)²                                       (4.89 )

 

   σ_Их = 6·│726│/0,0072² = 84 МПа

 

2) в окружном  направлении:

- мембранные

                                                σ_Мф = а·р_м/(s₁ – c_к),                             (4.90)

 

   σ_Мх = 2,5·10⁶·0,3/0,0072 = 104 МПа

- изгибные

                                             σ_Иф = 0,3·σ_Их,                                      (4.91)

 

   σ_Их = 0,3·84·10⁶ = 25,2 МПа.

 

Напряжения  в трубах вычисляют по формулам:

1. в осевом направлении:

-мембранные

                                           

                                 (4.92)

 

 

-суммарные

                                             

                                  (4.93)

 

2. в окружном направлении:

 

                          

                       (4.94)

 

 

 

 

4.8 Проверка прочности трубных решеток

 

1) Проверка  статической прочности

 

                                     max{τ_р1; τ_р2}<0,8[σ]_р                                       (4.95)

 

max{10,8·10⁶; 57,2·10⁶} Па < 0,8·172·10⁶  Па,

 

57,2 МПа < 137,6 МПа.

 

Условие прочности выполняется.

 

2) Проверка жесткости трубных решеток

Условие жесткости:

 

                              W = 1,2/K_y a₁·[T₁ Q_n +T₂ β M_n ]<[W]                    (4.96)

 

 

Условие жесткости выполняется.

 

3) Расчет  прочности и устойчивости кожуха:

 

                                             σ_Мх < 1,3[σ_к],                                       (4.97)

 

9,5 МПа < 1,3·151=196,3 МПа.

 

4) Условие статической прочности труб:

 

                                           max{σ_1т;σ_2т}<[σ]_т,                                  (4.98)

 

max{62,3;13,5}МПа < 125 МПа,

 

62,3 МПа<125 МПа.

 

5) Проверка прочности крепления трубы в решетке:

Крепление труб к решетке способом развальцовки.

 

                                            │N_т│≤ [N]_тр,                                    (4.99)

 

где  [N_тр]=0,6·π·s_т·(d_т-s_т) ·min{[σ]_т; [σ]_р} – для труб, завальцованных в 1 паз.

[N_тр]=0,6·3,14·2,5·10^-3·(25·10^-3-2,5·10^-3) ·

min{125·10⁶; 125·10⁶}=13247  Н,

 

│N_т│=11014 Н≤ [N]_тр=13247 Н,

 

Условие прочности выполняется.

 

5 Выбор типов  сварных соединений и расчет  их на прочность

 

 

Сварное соединение – это неразъемное  соединение деталей, полученное в результате их сварки. Сварной шов – часть  сварного соединения, образовавшаяся в результате кристаллизации металла  сварочной ванны. Сварные соединения могут быть стыковыми, угловыми, тавровыми  и нахлесточными.

Прочность сварного соединения зависит от следующих  основных факторов: качества основного  материала, определяемого его способностью к свариванию, совершенства технологического процесса сварки; конструкции соединения; способа сварки; характера действующих нагрузок (постоянные или переменные).

Эффективными  методами повышения прочности сварных  соединений являются: автоматическая сварка под флюсом и сварка в защитном газе; термообработка сваренной конструкции (отжиг); наклеп дробью и чеканка  швов. Эти меры позволяют повысить прочность составных сваренных  деталей при переменных нагрузках  в 1,5…2 раза и даже доводить ее до прочности  целых деталей

Выбор типов  сварных соединений сведем в таблицу 4.

Таблица 4 – Типы сварных соединений

Соединяемые элементы	Типы соединений	Вид сварки	Обозначение
Днище - фланец	Стыковой	Автоматическая	ГОСТ 8713-79
	С5
Корпус - опора	Тавровое	Ручная электродуговая	ГОСТ 5264-80
	Т6
Штуцер - фланец	Стыковой	Ручная электродуговая со скосом одной кромки	ГОСТ 5264-80
	С17
Корпус - фланец	Стыковой	Автоматическая	ГОСТ 8713-79
	С5