Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Транспортная энергетика (хладотранспорт) Минимаркер Расчет на прочность элементов теплообменных аппаратов

Расчет на прочность элементов теплообменных аппаратов

Страница 22 из 22
Содержание лекции:
Теплообменные аппараты (теплообменники)

Большинство теплообменных аппаратов работает под избыточным давлением или под вакуумом. Поэтому в корпусе, крышках, трубах и других элементах возникают напряжения от внутреннего или наружного избыточного давления. Кроме того, при нагревании или охлаждении аппарата появляются термические напряжения в отдельных жестко соединенных элементах (чаще всего в трубных решетках), вызываемые разностью температур металла этих элементов или разными коэффициентами расширения (удлинения). В расчетах на прочность элементов громоздких теплообменных аппаратов с большими массами рабочих жидкостей необходимо учитывать напряжение, возникающее от воздействия массы аппарата и массы жидкостей.

Надежность и безопасность аппаратов при эксплуатации зависят не только от качества выбранного материала, но и от конструкции отдельных их элементов, толщины стенок этих элементов, способа соединения узлов и компенсации тепловых удлинений.

Расчет на прочность всех или части элементов теплообменника производится при создании новой конструкции или при проверке надежности аппарата после длительной эксплуатации.

При интенсивной коррозии технологических аппаратов вследствие протекания химических реакций или огневого обогрева к материалам и расчету на прочность предъявляют дополнительные требования. Естественно, детальное рассмотрение вопроса о расчете на прочность здесь не представляется возможным, поэтому ограничимся приведением формул для расчета основных элементов. За основную расчетную величину принимается номинальное допускаемое напряжение σ*доп.

Если в справочных таблицах приводится расчетный предел прочности при заданной температуре σtв, расчетный условный предел текучести при растяжении σtт или расчетный условный предел длительной прочности при растяжении σtдп, то

200314_f57

В расчетах узлов аппарата принимается меньшее из трех σ*доп.

Обычно при расчете на прочность в формулы подставляют не σ*доп, а расчетное σдоп. Между номинальным и расчетным допускаемыми напряжениями существует зависимость

σдоп = η·σ*доп, (5.34)

где η – поправочный коэффициент, зависящий от конструктивных и эксплуатационных особенностей теплообменного аппарата и находится в пределах η = 0,85÷1.

Предполагают, что допускаемое напряжение на растяжение σрас, на сжатие σсж, на изгиб σизг приближенно равны: σрас ≈ σсж ≈ σизг а допускаемое напряжение на срез σср и на смятие σсм: σср ≈ (0,6÷0,58)·σрас; σсм ≈ 1,8· σрас.

Приведенные ниже расчетные формулы выведены на основе уравнений теории пластичности. Расхождения расчетных величин с опытными данными по пределам прочности, текучести и длительной прочности составляют 7–14% и учитываются в коэффициентах запаса прочности.

Толщина стенки, мм, труб, барабанов, коллекторов

200314_f58

где р – внутреннее избыточное давление, р = рвн - рн, Па; dвн, dн – внутренний и наружный диаметры труб, мм; φ1 – коэффициент прочности, учитывающий ослабление труб, коллекторов, барабанов отверстиями в продольном направлении; σдоп – расчетное допускаемое напряжение, Па; φ2 – то же, если ослабление будет в поперечном направлении; С – добавочная величина в соответствии с действующими минусовыми допусками, мм (от 3 мм до 0).

Коэффициент прочности цилиндрического сосуда в продольном направлении при коридорном расположении отверстий одинакового диаметра:

200314_f59

где S1 – шаг между центрами отверстий в продольном направлении, мм; d = 0,5 (d1+d2) – диаметр отверстия, мм; S2 – шаг между центрами отверстий в поперечном направлении по среднему диаметру сосуда.

Коэффициент прочности при шахматном расположении отверстий для диагонального мостика

φд = (Sд - d)/Sд. (5.37)

В формулу (5.35) подставляют меньшую из двух величин φ1 или 2φ2. Толщина стенки сварного сосуда

200314_f60

где φсв – коэффициент прочности сварного шва; в зависимости от способа сварки φсв = 0,7÷1.

Формулы (5.35) пригодны, если будут соблюдены следующие условия: (δ - C)/dн ≤ 0,18 – для барабанов, коллекторов, трубопроводов, камер, содержащих воду, пароводяную смесь или насыщенный пар; (δ - C)/dн ≤ 0,25 – для трубопроводов и труб, образующих поверхность теплообмена.

По формулам (5.35) после преобразований при заданной толщине стенки δ может быть рассчитано допускаемое избыточное давление среды р и приведенное напряжение σпв ≈ σдоп.

Пробное давление при гидравлическом испытании не должно превосходить вычисленное рг по одной из следующих формул:

200314_f61

Толщина стенки цилиндрического сосуда, подверженного наружному давлению, определяется по формуле

200314_f62

где dвн – внутренний диаметр корпуса, м; l – расчетная длина корпуса с учетом цилиндрической части крышки, м; Et – модуль продольной упругости при расчетной температуре, Па.

Толщина стенки бесшовного штампованного эллиптического днища (рис. 5.1, а, б), подверженного внутреннему давлению,

200314_f63

где p1 – внутреннее давление, Па; σдоп – допускаемое напряжение, Па; Z– коэффициент запаса; hв – высота выпуклой части днища, мм.

Выпуклые эллиптические днища

Рис. 5.1 – Выпуклые эллиптические днища: а – без отверстия; б – с отверстием; в – сферическое полушаровое сварное

Допускаемое давление и приведенное напряжение для такого днища при известной толщине δ могут быть вычислены по формулам, полученным в результате преобразования уравнения (5.42) относительно р или σдоп.

Высоту выпуклой части днища принимают в пределах hв/dвн = 0,2÷0,3; при hв/dвн > 0,3, а толщину днища – равной толщине цилиндрической части. Добавочная величина С зависит от толщины стенки: при δ до 10 мм С = 3 мм; при δ от 10 до 20 мм С = 2 мм; при δ от 20 до 30 мм С = 1 мм.

Для глухих сферических полушаровых днищ (рис. 5.1, в), сваренных из штампованных сегментов и секторов, подвергнутых внутреннему давлению р ≤ 25·105 Па, толщина стенки

200314_f64

Для таких же днищ, подверженных наружному давлению, толщину стенки рассчитывают по формуле (5.43), но вместо σдоп подставляют σ′доп = σдоп/1,4.

Толщина стенки δ плоских глухих донышек конструкций, изображенных на (рис. 5.2, а, б, ж),

200314_f65

где δ – толщина цилиндрической части сосуда, м; d – диаметр отверстия в днище, м.

Плоское донышко на резьбе (рис. 5.2, г) и на фланце (рис. 5.2, д, е) устанавливают только на сосудах небольшого диаметра (до 300 мм).

Плоские донышки и заглушки

Рис. 5.2 – Плоские донышки и заглушки: а, б – плоские приварные донышки; в – заглушка между фланцами; г – донышко на резьбе с обваркой для уплотнения; д, е – плоские крышки на болтах; ж – плоское штампованное донышко

Толщина плоской заглушки, зажатой между двумя фланцами (см. рис. 5.2, в),

200314_f66

Допускаемое рабочее давление при проверке имеющейся заглушки

200314_f67

Расчет трубной решетки сводится к определению ее толщины, напряжений и усилий, возникающих вследствие тепловых удлинений. В зависимости от способа крепления трубных решеток в корпусе различают две группы теплообменных аппаратов – нежесткой и жесткой конструкции. К первой группе относятся аппараты с U- и W-образными трубами, с «плавающей» камерой; ко второй группе – аппараты с двумя жестко закрепленными в корпусе трубными решетками. Толщина решетки в аппаратах нежесткой конструкции с сальниковыми соединениями в одной из них, а также в аппаратах с достаточно большой гибкостью труб

200314_f68

где D – расчетный диаметр решетки, на которую распространяется давление р, мм; Ктр – коэффициент, зависящий от способа закрепления трубной решетки, для круглых трубных решеток, не закрепленных анкерными связями, Ктр ≈ 0,162; φ – коэффициент, учитывающий ослабление трубной решетки; р – максимальная разность давлений между сторонами трубной решетки, Па; σизг – расчетное допускаемое напряжение на изгиб, Па; ψ – поправочный коэффициент; С = 1÷3 мм.

Пользуясь (рис. 5.3, а), коэффициент ослабления

φ = (b - d)/b. (5.48)

Толщина трубной решетки, рассчитанная по формуле (5.47), должна удовлетворять требованиям: для стальной решетки δmin = 5 + 0,125d; для медной δmin = 10 + 0,2d; сечение металла в мостике между отверстиями (рис. 5.3, б) должно быть не менее f ≥ 4,8d.

Схема размещения труб и анкерных связей в трубной решетке

Рис. 5.3 – Схема размещения труб и анкерных связей в трубной решетке: а – к расчету коэффициента ослабления φ; б – к расчету напряжения, возникающего в местах соединения труб с решеткой; в – равномерное расположение анкерных связей; г – неравномерное расположение анкерных связей

Поправочный коэффициент для аппаратов нежесткой конструкций ψ = 1, для сальникового соединения и аппаратов с большой гибкостью труб 200314_f69, n – общее число труб в трубной решетке. Если трубы закреплены в трубных решетках жестко и воспринимают сжимающее усилие не прогибаясь, значение δ принимается минимальным для стали и меди.

Толщина трубной решетки при укреплении ее равномерно расположенными анкерными связями (рис. 5.3, в)

200314_f70

При неравномерном расположении анкерных связей

200314_f71

где σдоп = 0,85·σ*доп расчетное напряжение, Па; С1,с = 0,5÷0,33 – коэффициент, зависящий от способа закрепления связей.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика