Рассчет и подбор кожухотрубчатого теплообменника

Где z=1-d/D_а.вн – коэффициент неукреплённого отверстия; d – наибольший диаметр неукреплённого отверстия, м; h_вып – высота выпуклой части днища, м.

 

 

3.3 Расчет трубной решетки

 

Расчетное давление, МПа, при  расчете трубной решетки выбираем по большему из трех следующих значений:

где Рм, Рт — давления в  межтрубном и трубном пространствах  соответственно, МПа; Рм.п =1,5×Рм, Рт.п=1,5Pт — пробное давление при гидравлическом испытании в межтрубном пространстве и в трубах, Мпа; r — отношение жесткости трубок к жесткости кожуха; g — расчетный температурный коэффициент; к — модуль упругости системы трубок, Мпа/м; l— расчетная длина корпуса, равная длине труб, м; a — коэффициент перфорации.

Коэффициент,  выражающий отношение  жесткости трубок  к жесткости кожуха, находим по формуле

где Е_т, Е_к — модули упругости материала трубок и кожуха (для стали — Е_т = Е_к =2,058×10⁵ Мпа); Fт, Fк — площади сечения стенок трубок и кожуха, м². Площадь сечения стенок трубок, м², рассчитываем:

Fт=0,25pn×(d²_н-d²_в) ;

Fт =0,25×3,14×1044(0,02²-0,016²)=0,1181м²

где n –количество трубок, шт.; d_в, d_н — внутренний и наружный диаметры трубок, м.

        Площадь  сечения стенок кожуха, м²:

Тогда

Расчетный температурный  коэффициент находим по формуле:

где t_т, t_к — температуры трубок и кожуха, °С; a_т, a_к — коэффициенты линейного удлинения трубок и кожуха соответственно, для стали a_т=a_к=11,8×10^-6 .

Температуру кожуха принимаем:

Температура трубок:

Модуль упругости системы  трубок, МПа/м, рассчитываем

где l=3 — длина трубок, м; a =D_а.вн / 2 = 0,8/2 =0,4 м — внутренний радиус корпуса, м.

 

Коэффициент перфорации определяют по формуле

Тогда расчетные давления, МПа, будут найдены по формулам:

Принимаем расчетное давление Р_р =10,66 МПа. Толщину трубной решетки рассчитывают:

Принимаем толщину трубной  решетки d_Р=30мм.

Изгибающий момент, распределенный по контуру решетки:

где b—коэффициент системы «решетка—трубки», 1/м; Ф₁, Ф₂, Ф₃ выбираются в зависимости от безразмерного параметра w =b×a; T и q — вспомогательные коэффициенты.

  Коэффициент системы «решетка — трубки», 1/м

где D_y — жесткость трубной решетки при изгибе, Н∙м,

здесь Е_р = 2,058×10⁵ МПа — модуль упругости материала решетки;

где y_p и y_o— коэффициенты жесткости трубной и перфорированной решеток; a_p — расчетный коэффициент перфорации.

Значения коэффициентов: Ф₁ =2,06; Ф₂ =0,19; Ф₃ =1,76. Вспомогательные коэффициенты

где h = d_Р – 0,003 = 0,03 – 0,003 = 0,027 — толщина полки фланца, м.

Коэффициент податливости системы «кожух — решетка»

Жесткость фланцевого соединения

где b=0,07м — ширина полки фланца;  R=а + 0,005 = 0,5 + 0,005=0,505 — расстояние от центра тяжести сечения фланца до оси аппарата, м;

Перерезывающая сила, распределенная по контуру  трубной решетки

Максимальный изгибающий момент в трубной решетке:

где A=¦(m,w) = 0,52 — коэффициент; m — характеристика заделки решетки;  w= 1,24 — безразмерный параметр.

Характеристика заделки  решетки определяется по формуле:

Проверяем напряжение от изгиба в трубной решетке

где  коэффициент прочности решетки; S=45мм – шаг разбивки отверстий в трубной доске;

Полученный результат  подтверждает соответствие действительного напряжения от изгиба допускаемому напряжению.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Выбор точек контроля

 

Для уменьшения температурных  деформаций, обусловленных большой  разностью температур труб и кожуха, значительной длиной труб, а также  различием материала труб и кожуха, используют кожухотрубчатые теплообменники с линзовым компенсатором, у которых  на корпусе имеется линзовый компенсатор , подвергающийся упругой деформации. Такая конструкция отличается простотой, но применима при небольших избыточных давлениях в межтрубном пространстве, обычно не превышающих 6-105 н/м* (6 ат).

Предусмотрены различные  варианты материального исполнения конструктивных элементов теплообменных  аппаратов. Корпус аппарата изготовляют из сталей ВСтЗсп, 16ГС или биметаллическим с защитным слоем из сталей 08X13,12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т. Для трубного пучка применяют трубы из сталей 10, 20 и Х8 с размерами 25x2, > 25x2,5 и 20x2 мм, из высоколегированных сталей 08X13, 08Х22Н6Т, 08Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т с размерами 25x1,8 и 20x1,6 мм, а также трубы из алюминиевых сплавов и латуни. Трубные решетки изготовляют из сталей 16ГС, 15Х5М, 12Х18Н10Т, а также биметаллическими с наплавкой высоколегированного хромоникелевого сплава или слоя латуни толщиной до 10 мм.

Основной частью такого теплообменника является пучок труб, закреплённых в трубных решётках. Трубки располагаются в трубном  пучке в шахматном порядке  или по вершинам треугольников. Одна из теплообменивающихся сред движется по трубкам, а другая – внутри корпуса  между трубками.

Теплообменники могут  быть вертикального горизонтального  исполнения. Оба варианта установки  одинаково широко распространены и  выбираются в основном по соображениям монтажа: вертикальные занимают меньшую  площадь в цехе, горизонтальные могут  быть размещены в сравнительно невысоком помещении. Материал изготовления теплообменников – углеродистая или нержавеющая сталь.

Линзовые компенсаторы типа КЛО

Компенсатор линзовый предназначен для компенсации температурных  изменений длины трубопроводов  в осевом, П-образном, Г-образном, Z-образном и других шарнирных схемах компенсации, работающих в условиях неагрессивных  и малоагрессивных сред, включая  трубопроводы. Эксплуатируется компенсатор  линзовый при рабочем давлении до 16 кгс/см² и температуре до +3000С и может применяться в качестве компенсатора теплового на теплотрассах.

Изготовление компенсатора линзового осуществляется методом  горячей и холодной штамповки  на гидравлических и механических прессах  в зависимости от конфигурации, материала  и толщины стенки деталей. Для  обеспечения качества компенсатора линзового используются неразрушающие  методы контроля.

Линзовые компенсаторы предназначены для компенсации  температурных линейных расширений за счет перемещения сильфона (сжатия и растяжения) в осевом направлении. Компенсаторы изготавливают из сваренных  между собой штампованных полугофров с U-образным профилем, образующих осевую деталь компенсатора — сильфон. К  крайним деталям компенсатора приварены  патрубки.

Пояснения к иллюстрации:

1 - Сильфон (гидроформованный)

2 - Патрубок

3 - Внутреннея обечайка

4 - Дренажная трубка

Заключение

 

В данном курсовом проекте был рассчитан и спроектирован нормализованный кожухотрубчатый теплообменник. Был проведен прочностной расчет теплообменника, выбран материал для изготовления теплообменника, найдены конструктивные решения компенсации температурных деформаций.

 

Список использованной литературы

 

1. Иоффе И.А. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1991 г.
2. Дытнерский Ю.И. “Процессы и аппараты химической технология” - М.: Химия, 1995 г.
3. Плановский А.Н. “Процессы и аппараты химической технология” - М.: Химия, 1983-783 с.
4. Павлов К.Ф., П.Г. Романков, А.А. Носков “Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии” - Л.: Химия, 1987-676 с.