Расчёт теплообменника с плавующей головкой

1. Доклад на тему дипломного проекта (слайд №1)

     Тема дипломного проекта «модернизация кожухотрубного теплообменника с плавающей головкой, с заменой материала стали 16ГС на 12Х18Н10Т, с целью продления межремонтного пробега»

2. Обоснование темы дипломного проекта (слайд №2)

     Экономические расходы на теплообменные аппараты тем ниже, чем

длительнее  межремонтные пробеги и в целом  период безотказной работы

аппарата.

     Причины выхода из строя теплообменников:

- коррозионный  износ деталей;

- коррозионный износ узлов аппаратов.

 Пути устранения коррозионного износа:

- правильный  выбор материала с учетом температуры  и давления;

- коррозионная  активность теплоносителя (в трубном  пучке и межтрубном пространстве.

     С учётом агрессивности среды в данном дипломном проекте предложена замена теплообменного аппарата изготовленного из стали 16ГС на аппарат, изготовленный из легированной стали 12Х18Н10Т, ввиду того, что в ранее стоящем аппарате произошел коррозионный износ (расслоение металла).

     Применение дорогостоящей стали, оправдывается длительностью эксплуатации и меньшими затратами на ремонт и чистку аппарата.

3. Описание работы и устройства теплообменника (слайд №3)

     В случае разницы температур между теплоносителями свыше 40°С и склонность теплоносителя к загрязнению внутри аппарата применяют теплообменники с плавающей головкой. Один конец трубного пучка является свободным, следовательно с повышением t°С при удлинение трубок практически отсутствует усилия растяжения, следовательно и напряжения в материале труб и корпуса.

     На данном рисунке (сборочном чертеже) показан теплообменник с плавающей головкой горизонтальный – рабочее давление 1,6 МПа – исполнение материала Б2 (12Х18Н10Т) – диаметр трубок 25 мм – длина трубного пучка 6 м – двух ходовой – климатическое исполнение «У» – с креплением под изоляцию «И» установленный на установке производства серы ОАО «Сибнефть – ОНПЗ». В данном теплообменнике происходит нагрев моноэтаноламина 15%.

1200ТПГ  – 1,6 – Б2 – 25 – 6 – 2 –  У – И

 

1. Крышка распределительной камеры;

2. Распределительная камера – служит для разделения движения потока разделяющей перегородкой.

3. Кожух;

4. Трубный пучок;

5. Перегородка – служат, для удлинения пути жидкости и промежуточными опорами препятствуя прогибу трубного пучка.

6. Полукольцо – служит, для соединения плавающей решётки с крышкой плавающей головки.

7. Трубная решётка подвижная – не прикреплена к корпусу, так что температурные деформации не воспринимаются корпусом и трубным пучком, благодаря этому и корпус и трубный пучок не испытывают температурных напряжений.

8. Крышка плавающей головки;

9. Крышка кожуха;

10. Опора неподвижная – служит, для жёсткого закрепления теплообменника с бетонной фундаментной опорой.

11. Опора подвижная – служит, для свободного температурного удлинения корпуса теплообменника, дабы не создавать температурные напряжения.

12. Трубная решётка неподвижная – служит, для соединения с трубками трубного пучка и закреплена между фланцами корпуса и распределительной камеры.  

13. Штуцера входа и выхода продукта

Теплообменник работает следующим образом.

     Один из теплообменивающих потоков поступает через штуцер в распределительную камеру, затем через часть труб пучка – в камеру, образованную подвижной трубной решёткой и её крышкой. Изменив в камере направление движения, поток проходит оставшуюся часть труб и вновь поступает в распределительную камеру. Объём камеры разделён плоской перегородкой на две части. Другой теплообменивающий поток поступает в корпус и омывая теплообменные трубы, покидает его.

 Конструкция теплообменников с плавающей головкой  разъёмная – трубный пучок можно извлечь из корпуса, что позволяет осуществлять осмотр, чистку и необходимый ремонт трубного пучка и корпуса.

 

4. Деталировка (чертёж)

 

- решётка  плавающая изготовлена из стали  12Х18Н10Т – литьём с последующим сверлением под трубки на 1,5 мм больше диаметра трубок;

- решётка  стационарная изготовлена из  стали 12Х18Н10Т – литьём;

- трубная  перегородка изготовлена из листового проката  сталь 12Х18Н10Т толщиной 10 мм; 

- крышка плавающей  головки изготовлена из стали 12Х18Н10Т – литьём

 

5. Монтаж теплообменника (слайд №4 и чертёж монтажа)

 

   В данном дипломном проекте монтаж теплообменника и трубных заготовок производится с помощью автокрана LTM -1050, что указанно на монтажном чертеже. Застропив теплообменник с тракторной площадки производится подъём и установка на бетонные фундаментные опоры.

Теплообменник устанавливают горизонтально. Опорной конструкцией для них служат: фундаменты в виде двух бетонных или железобетонных столбов с анкерными болтами.

      При горизонтальном расположении теплообменников температурные деформации корпуса между опорами, могут достигать нескольких миллиметров, поэтому одна из опор должна быть подвижной. Неподвижную опору, устанавливают со стороны неподвижной трубной решетки, закрепляют намертво; гайки болтов подвижной опоры, имеющей овальные вырезы, не затягивают на 1-1,5 мм, но фиксируют контргайками. Зазор между болтами и овальными вырезами  располагается в сторону возможного удлинения теплообменника.

      Горизонтальные аппараты следует устанавливать с уклоном 2 – 3 мм в сторону штуцера, расположенного в нижней части корпуса.

 

6. Расчёт толщины стенки обечайки (слайд №5)

Расчёты сделаны для основных деталей, по рабочим условиям – температуре; давлению; коррозионной активности, которые приняты как расчётные.

          Прочность цилиндрической обечайки работающей под внутренним (внешним) избыточным давлением определяет прочность в целом корпуса аппарата.

     Зависит от:

- величины  рабочего давления – Р_раб. = 1,6 МПа;

- диаметра  – Ø 1200 мм;

- температуры  (величина допускаемого напряжения) – t = 150 °С, [σ] = 168 Мпа;

- прочность  сварных швов – φ = 0,9;

- коррозионной активности среды – С = 2 мм

   Расчётная толщина может не соответствовать сортаменту, поэтому конструктивно принимается в сторону увеличения S = 12 мм. Расчётное напряжение меньше допускаемого, следовательно, условие прочности выполняется.

7. Расчёт днища (слайд №6)

     Из типов днищ плоских эллиптических  и сферических для данного  условия принимается эллиптическое днище, т.к. является рациональной с точки зрения восприятия избыточного внутреннего давления, следовательно, равномерного распределения напряжений. Днища изготавливают – штамповкой.

     Прочность эллиптического днища работающего под внутренним (внешним) избыточным давлением рассчитывается аналогично обечайки. Конструктивно принимается толщина днища равной толщине обечайки S = 12 мм, согласно расчётов на прочность. Условие прочности выполняется.

 

8. Расчёт трубной решётки (слайд №7)

     Трубная решётка рассчитывается на прочность и рассматривается как перфорированная пластина, закреплённая по периметру. На трубную решётку действуют нагрузки от температурных удлинений и давление теплоносителей.

В результате расчётов определяется расчётная толщина трубной решётки S_тр=59,5 мм без учёта на коррозию. Конструктивно принимается толщина трубной решётки S_т =70 мм с учётом двух сторонней прибавки на коррозию.

 

9. Расчёт соединения трубок с трубной решёткой (слайд №7)

 

     Соединение трубок с трубной решёткой производится развальцовкой (показать развальцовку), с последующей обваркой торца по периметру.   

              

10. Расчёт фланцевого соединения (слайд №8)

 

Фланцевое соединение «крышка с корпусом».

Для данной рабочей  температуры и рабочего давления используем фланцевое соединение «выступ – впадина».

   Расчёт фланцевого соединения заключается в определении усилий болтовой затяжки, которая обеспечивает его герметичность и прочность, в том числе количество болтов.

     Результат расчёта:

1. усилие болтовой затяжки – Р_б = 2330 МН;
2. количество болтов (шпилек) – 52 шт.

В зависимости  от Р_р = 1,6 МПа и D = 1,2 м принимаем болты (шпильки) М24.

 

11. Расчёт штуцера и укрепление отверстия (слайд №9)

     Удаление металла для штуцера ослабляет обечайку. Для компенсации удалённого металла применяются различные способы и в том числе применение накладного кольца. Толщина укрепляющего кольца принимается S = 12 мм. На укрепляющем кольце имеется контрольное отверстие М10, необходимое для контроля сварных швов при опрессовке.

 

12. Расчёт седловых опор (слайд №10)

     Выбор типа седловой опоры производится с учётом массы и размеров аппарата.

Масса (вес) аппарата – Q = 13600 кг; длина аппарата – L = 7800 мм; диаметр аппарата – Ø 1200 мм.

 

     Результат расчёта: выбирается  седловая горизонтальная опора,  изготовленная из стали ВСт.3 - прокатом.

ВСт.3 – углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества порядковый номер 3 гарантия по поставке по механическим и химическим свойствам

Опора горизонтальная – тип 2 – Ø1200 мм – нагрузка 13 МН – ГОСТ 5132 – 63

Тип опоры – «ОГ – 2 – 1200 – 13 МН – 5132 – 63»

 

     Данный расчёт ведётся из предположения цилиндрической балки опирающейся на две опоры. Наиболее рациональным является такое расположение опор, при котором изгибающие моменты в середине аппарата М₁ и под опорой М₂ равны соответственно.

13. Расчет и выбор стропов (слайд №11)

 

     При монтаже теплообменника и трубной заготовки с использованием грузоподъёмной техники используются стропа. Определив силу натяжения и разрывное усилие, подбирается тип каната, и выбираются стропа для монтажа.

     По разрывному усилию и временному сопротивлению разрыва подбирается канат и стропа для монтажа теплообменника:

1. масса теплообменника – Q = 13600 кг;
2. разрывное усилие – R = 242,5 кН;
3. временное сопротивление разрыву – 1372 МПа

Выбирается:

    тип каната: ЛК – РО конструкции 6х36 (1+7+7/7+14) + 1о.с. ГОСТ 7668 – 80

    строп для монтажа: СКК1 – 10/6500 ГОСТ 25573 – 82

     канат: Ø23,5 – Г – I – Н – 1770 ГОСТ 7668 – 80

Для монтажа трубной заготовки подбирается  канат и стропа.

1. масса трубной решётки – Q_max = 800 кг;
2. разрывное усилие – R = 128 кН;
3. временное сопротивление разрыву – 1960 МПа

Выбирается:

    тип каната: ЛК – РО конструкции 6х36 (1+7+7/7+14) + 1о.с. ГОСТ 7668 – 80     строп для монтажа: СКП1 – 1,6/4000 ГОСТ 25573 – 82

     канат: Ø13,5 – Г – I – Н – 1770 ГОСТ 7668 – 80 

Расшифровка обозначений:

 

ЛК – РО 6х36 (1+7+7/7+14) + 1о.с.

6 прядей по 36 проволок (1+7+7/7+14) + 1о.с. и 1 органический сердечник

     (1+7+7/7+14) – 1 прядь в середине; 7 во втором слое; 7/7 в третьем; 14 в четвёртом.

 

СКК1 – 10 / 6500

Строп канатный концевой – 1 ветвенный – 10 тонный – длина 6,5 метров.

 

СКП1 – 1,6 / 4000

Строп канатный петлевой – 1 ветвенный – 1,6 тонн – длина 4,0 метра.

 

Канат Ø 23,5 – Г – I – Н – 1770

Канат диаметром 23,5 мм – грузовой – тип проволоки (оцинкованная) – нераскручивающийся – разрывное усилие 1770 МПа.

 

 

 

 

 

 

1. Экономическая часть (слайд №12)

Расчёт затрат на необходимые материалы при модернизации:

Основные материалы: Стоимость затрат на основные материалы указанна в таблице №2 и составляет: 106880 рублей (для соединения теплообменника с технологической линией)

Вспомогательные материалы: Стоимость затрат на вспомогательные материалы указанна в таблице № 3 и составляет: 8950,24 рублей.

 

2. Экономическая часть (слайд №13)

Профессионально-квалификационный состав (таблица №4):

     При проведении монтажа теплообменника необходимы следующие рабочие, указанные в таблице №4.

Смета затрат на модернизацию теплообменника (таблица №5):

Наименование статей затрат	Сумма, руб.
Материалы основные	106880
Материалы вспомогательные	8950,24
З/п. основная и дополнительная рабочих	8884,23
З/п. основная и дополнительная ИТР	2557,52
ЕСН (общий)	2974,85
Электроэнергия	1395,35
Амортизация сварочного аппарата	31,56
Амортизация автокрана LTM – 1050	8547,9
Складские расходы	11583
Накладные расходы	8191,26
Итого:	159995,91