Расчёт теплообменника с плавующей головкой

 

     Определяем исполнительную толщину трубной решётки:

                                            

                                (2.7)

 

   Конструктивно  принимаем толщину трубной решётки  70 мм

 

 

 

 

 

 

    2.6 Расчёт соединения трубок с трубной решёткой

 

 

Рисунок 2.3 Соединение трубок с трубной решёткой

 

   Соединение трубок с трубной решёткой может быть: развальцовкой, сваркой и развальцовкой с обваркой торца по периметру. В расчёте используется развальцовка с обваркой торца по периметру.

     Определяем осевое усилие растягивающее (сжимающее):

                 

, МН                         (2.8)

где, Р_k – рабочее давление в корпусе, Р_k =1,6МПа (см.л.18)

     Р_m – рабочее давление в трубках, Р_m =1,6МПа (см.л.18)

      d_н - диаметр трубки наружный, d_н = 25 мм

      d_в  - диаметр трубки внутренний, d_в = 21 мм

      D_в – внутренний диаметр корпуса, D_в = 1158 мм (см.л.18)

     Определяем нагрузку равномерного распределения на трубы, из расчёта нагрузки на одну трубку:

                                               

                                             (2.9)

     Определяем температурное усилие от рабочей температуры, приходящееся на одну трубу:

                                           

                                     (2.10)

где, f_m – площадь поперечного сечения стенки трубки, м²                                   σ_m – номинальное напряжение материала трубок при рабочей темпе-

       ратуре, σ_m = 168 МПа [см. табл.7.33]

     Определяем площадь поперечного сечения стенки трубки:

                                 

                                     (2.11)

 

      Определяем суммарное усилие:

 

                                            

                                   (2.12)

 

          

     Определяем удельную нагрузку от давления на единицу длины окруж-

ности развальцовки:

 

                              

                                             (2.13)

 

 

     Определяем напряжения от суммарного усилия с учётом давления и температурных напряжений:

 

                                   

                                        (2.14)

 

     

 

 

Условие прочности  выполняется

                                                                                                                

 

 

 

 

    2.7 Расчёт фланцевого соединения

 

 Рисунок 2.4 Фланцевое соединение «крышка с корпусом»

Для данной рабочей  температуры и рабочего давления используем флан-

цевое соединение выступ – впадина.

   Исходные  данные:

где, D_п = 1,27 м

      D = 1,2 м

       D_ф = 1,36 м

       P = 1,6 МПа

       t = 150°С

       S = 0,08 м

       b_п = 0,02 м

    

     Определяем расчетные величины:

     Определяем меньшую величину конической втулки фланца:

 

S₀ = 1,35 ∙ S                                              (2.15)

S₀ = 1,35 ∙ 0,08 = 0,1 м

     Определяем отношение большой толщины втулки фланца и меньшей:

                                                                    β =

                                              (2.16)

β = 1

     Определяем большую толщину втулки:

S₁ = S₀ = 0,1 м

    В зависимости от Р_р = 1,6 МПа и D = 1,2 м принимаем болты (шпильки) М24, d_б определяем по табл. [7.14], d_б = 0,027 м

 

     Определяем диаметр болтовой окружности по формуле:

 

D_б = (1,1…1,2) ∙ D^0,933 ,м                             (2.17)

 

D_б = 1,1 ∙ 1,2^0,933 = 1,3 м

     Определяем наружный диаметр фланца по формуле:

 

D_ф = D_б + а ,м                                            (2.18)

где, а – определяем по табл. [7.14], а = 0,04

D_ф = 1,3 + 0,04 = 1,34 м

     Определяем наружный диаметр прокладки по формуле:

 

                                                D_п = D_б – e ,м                                         (2.19)

где, e -  определяем по табл. [7.14], е = 0,03

 

D_п = 1,3 – 0,03 = 1,27 м

     Определяем средний диаметр прокладки по формуле:

                                                         D_пс = D_п – b_п , м                                                              (2.20)

где, b_n – ширина прокладки, определяется по табл. [7.12], b_n =0,02м

D_пс = 1,27 - 0,02 = 1,25 м

Материал  для прокладки выбираем поранит.

     Определяем шаг болтов (шпилек) по формуле:

 

                                          t_б = (3,8 ÷ 4,8) d_б , м                                                         (2.21)

t_б = 3,8 ∙ 0,027 = 0,1 м

 

     Определяем количество болтов (шпилек) по формуле:

                                             (2.22)

где, t_б – шаг болтов было принято ранее по формуле по 2.21

 

Конструктивно принимаем количество болтов (шпилек) z_б = 52 шт

      Определяем вспомогательные величины:

 

  Определяем прочностной коэффициент для воротниковых фланцев х = 1

     Определяем эквивалентную толщину втулки фланца по формуле:

 

                                                     S_e  = x ∙ S₀                                                               (2.23)

 

S_e  = 1 ∙ 0,1 = 0,1 м

     Определяем ориентировочную толщину фланца по формуле:

 

                                            ,м                                    (2.24)

 

где, коэффициент λ определяем по [3.36], λ = 0,53

 

     Определяем расчетную длину шпильки с двумя гайками по формуле:

 

, м                                   (2.25)

где, ℓ_бо = 0,5 – длина шпильки между опорными поверхностями гаек

 

 

     Определяем расчётное усилие в болтах (шпильках) по формуле:

 

                                    

                        (2.26)

где, Р_п – определяем по формуле

 

                            

                               (2.27)

 

где, m – коэффициент, определяем по табл. [7.13] m = 2,5

 

 

     Определяем условия прочности болтов (шпилек) по формуле:

                                              

                                          (2.28)

 

где, f_б – сечение болта (шпильки) определяем по табл. [7.14], f_б = 3,4 мм²

 

Условие прочности выполняется.

 

     Определяем условие прочности прокладки по формуле:

                                           

                                   (2.29)

где, [q] – допускаемое удельное давление, определяем по табл. [7.13]          [q] = 130

Условие прочности прокладки выполняется

                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    2.8 Расчёт штуцера и укрепление отверстия

 

 

 

Рисунок 2.5 Соединение штуцера со стенкой сосуда

 

   Отверстия в  обечайках и днищах аппарата  существенно ослабляют стенку  по образующей. При этом напряжение  в опасном сечении возрастают  в несколько раз. На практике  усиление стенки для компенсации  удельного метала, чаще всего  осуществляется приваркой накладного кольца.

 

   В цилиндрических  обечайках определяем по формуле:

                  

           (2.30)   

 

где, d_р – расчётный диаметр отверстия, мм

       С  – сумма прибавок к расчётной  толщине стенки штуцера, мм

         S – исполнительная толщина стенки обечайки или днища, мм

 

 

     Определяем расчётную толщину стенки штуцера нагруженного избыточным внутренним давлением по формуле:

 

                                                ,мм                                   (2.31)

  

   где, [σ] – допустимое напряжение для материала штуцера при рабочей t°C     

          φ – коэффициент прочности сварного шва, φ = 0,9

 

     Определяем исполнительную толщину стенки штуцера по формуле:

                                       

,мм                                      (2.32)

мм

 

     Определяем наибольший расчётный диаметр отверстия при отсутствии избыточной толщины стенки укрепляемой оболочки, не требующей укрепления по формуле:

                                

,мм                               (2.33)

     Определяем расчётные длины внешней и внутренней частей штуцера, участвующие в укреплении отверстий по формуле:

              

, мм            (2.34)

            

, мм              (2.35)

при проходном  штуцере S_1ш = S₃ = 10мм

     Определяем ширину зоны укрепления в обечайках и днищах по формуле:

                                      

, мм                               (2.36)

     Определяем ширину накладного кольца по формуле:

                      ,мм                (2.37)                          

Толщину укрепляющего кольца конструктивно принимаем S₂ = S = 12мм

Условие выполняется

 

 

 

 

    2.9 Расчёт седловых опор

 

Рисунок 2.6 Построение эпюр опор

 

     Данный расчёт ведётся из предположения цилиндрической балки операю-

щейся на две опоры.

     Определяем расчетную длину теплообменника по формуле:

 

 а = ℓ  + 2 ∙ ℓ_пр, м                                                           (2.38)

а = 6 + 2 ∙ 0,9 = 7,8 м

     Определяем удельную нагрузку по формуле:

, Нм                                            (2.39)

где, Q – масса теплообменника, данная в задании, Q = 13600 кг

 

     Наиболее рациональным является такое расположение опор, при котором изгибающие моменты в середине аппарата М₁ и под опорой М₂ равны соответственно.

     Определяем изгибающие моменты:

М₁ = q ∙ a ∙ (a – 4 ∙ c) / 8, Нм                                  (2.40)

М₁ = 1743,6 ∙ 7,8 ∙ (7,8 – 4 ∙ 1,6) / 8 = 2380 Нм

 

с = 0,0207 ∙ а, м                                         (2.41)

с = 0,0207 ∙ 7,8 = 1,6 м

 

М₂ = q ∙ c² / 2, Нм                                         (2.42)

М₂ = 1743,6 ∙ (7,8)² / 2 = 53040 Нм

 

М_max = q ∙ a² / 47, Нм                                     (2.43)

М_max = 1743,6 ∙ (7,8)² / 47 = 2257 Нм

     Определяем допускаемые напряжения по формуле:

                                       

, Н/м²                             (2.44)

где, D_вн – внешний диаметр теплообменника

 

     Определяем участки теплообменника под опорами и сами опоры на прочность от нагрузок R_а и R_в:

                                              , Н                                   (2.45)

Условие прочности выполняется

     Определяем момент сопротивления указанного сечения по формуле:

 

                             

                         (2.46)