Расчет выпарного аппарата

Расчет выпарного аппарата

Содержание

Задание на курсовой проект

Введение

. Расчет кожухотрубной теплообменной аппаратуры

. Расчет трубной решетки

. Расчёт фланцевого соединения

. Расчёт на герметичность фланцевого соединения:

. Подбор и расчёт опор

. Укрепление вырезов отверстий

Заключение

Список литературы

Задание на курсовой проект

Вариант 2

Введение

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты являются наиболее применяемыми практически во всех отраслях промышленности, что предопределено длительной историей развития и совершенствования данного типа оборудования, простотой и надежностью конструктивных решений, доступностью и технологичностью материалов, применяемых как при изготовлении, так и при ремонте, отработанностью проведения монтажа и пуска в эксплуатацию, легкостью в обслуживании и надежностью в работе.

В кожухотрубчатых теплообменных аппаратах достигаются достаточно большие соотношения поверхности теплообмена к объему и массе. Размеры поверхности теплообмена легко можно варьировать в широких пределах, конструкция имеет достаточную прочность и выдерживает нормальные нагрузки при сборке, перевозке и монтаже теплообменника, а также внутренние и внешние напряжения в обычных условиях эксплуатации. Очистка кожухотрубчатых теплообменных аппаратов не вызывает затруднений, а его элементы, наиболее подверженные коррозии, - прокладки и трубы, - легко могут быть заменены. Конструктивные особенности позволяют применять этот тип почти во всех случаях, включая предельно низкие или высокие температуры и давления, большие градиенты температур, при испарении и конденсации, а также при использовании сильно загрязненных и коррозионно-активных теплоносителей.

По назначению кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на теплообменники (Т), холодильники (X), конденсаторы (К) и испарители (И); по конструкции - на аппараты с неподвижными трубными решетками (тип Н), с температурным компенсатором на кожухе (тип К), с плавающей головкой (тип П) и с U-образными трубами (тип У).

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения различных сред с температурой теплообменивающих сред от минус 30 до +350 °С (типы ТН и ТК) и от минус 30 до +450 °С (типы ТП и ТУ).

Холодильники - для охлаждения различных жидких или газообразных сред пресной, морской водой или хладагентами с температурой охлаждаемой среды в кожухе от 0 до +300 °С (типы ХН и ХК) и от 0 до +400 °С (тип ХП) и температурой охлаждающей среды в трубах от минус 20 до +60 °С.

Конденсаторы - для конденсации и охлаждения парообразных сред пресной, морской водой или другими хладагентами с температурой конденсируемой среды в кожухе от 0 до +300 °С (типы КН и КК) и от 0 до +400 °С (тип КП) и температурой охлаждающей среды в трубах от минус 20 до +60 °С.

Испарители - для нагрева и испарения различных жидких сред с температурой греющей и испаряемой сред от минус 30 до +350 °С (типы ИН и ИК) и от минус 30 до +450 °С (типы ИП и ИУ).

Холодильные конденсаторы (тип КТ) - для сжижения хладагента в аммиачных и углеводородных (пропан, пропилен) холодильных установках общепромышленного назначения, работающих в пределах температур конденсируемого хладагента от 0 до +100 °С, при температуре охлаждающей среды от минус 40 до +50 °С.

Холодильные испарители (тип ИТ) - для охлаждения воды и растворов давлением до 0,6 МПа (6 кгс/см²) в аммиачных и углеводородных (пропан, пропилен) холодильных установках общепромышленного назначения, работающих в пределах температур насыщения от +40 до минус 40 °С; жидких технологических сред давлением 1-2,5 МПа (10-25 кгс/см²) в установках, работающих в пределах насыщения от +40 до минус 60°С.

Теплообменные аппараты типов П и У применяются при значительной разности температур стенок кожуха и труб, а также в случае необходимости механической чистки трубного пучка снаружи.

Теплообменные аппараты изготовляются:

по расположению - вертикальными (типы Н, К и П) и горизонтальными (типы Н, К, П и У);

по числу ходов в трубном пространстве - одноходовыми (типы Н и К), двухходовыми (типы Н, К, П и У), четырехходовыми (типы Н, К и П) и шестиходовыми (типы Н, К и П);

по компоновке - одинарными и сдвоенными;

по материалу основных узлов и деталей - с деталями трубного и межтрубного пространств из углеродистой или коррозионностойкой стали; с деталями трубного пространства из коррозионностойкой стали, а межтрубного пространства - из углеродистой стали; с трубами из латуни или алюминиево-магниевого сплава и деталями межтрубного пространства из углеродистой стали.

Теплообменные аппараты изготовляются с кожухами диаметром 159, 273, 325, 400, 426, 600, 630, 800, 1000, 1200 и 1400 мм (для типов Н и К), 1600, 1800 и 2000 мм (для типа Н), 325, 400, 426, 500, 530, 600, 630, 800, 1000, 1200 и 1400 мм (для типов П и У) и 800, 1000, 1200, 1600, 2400, 2600 и 2800 мм (для испарителей типов П и У).

Для стандартных теплообменных аппаратов типов Н и К применяются трубы 20 х 2 и 25 х 2 мм; для аппаратов типа П - трубы 20 х 2, 25 х 2 и 25 х 2,5 мм; для аппаратов типа У - трубы 20 х 2 мм. Трубы в трубных решетках крепятся методом развальцовки или обварки с подвальцовкой в соответствии с ОСТ 26-02-1015-85.

1. Расчет кожухотрубной теплообменной аппаратуры

Ориентировочно определяем длину пучка теплообменных труб по формуле

=1,38·1700=2346 мм

где

D = 2а

D - внутренний диаметр кожуха.

Определяем расстояние a₁ от оси кожуха до оси наиболее удаленной теплообменной трубы по чертежу решетки

а₁=0,483D=0.483·1700=821,1 мм;

Определяем диаметр окружности вписанной в максимальную беструбную зону по чертежу решетки (см. рис.12).

DE = 0,055D=0,055·1700=93,5 мм

Рисунок 1- Расчетная схема аппарата

Рисунок 2- Схема расположения труб по вершинам равносторонних треугольников (по сторонам правильных шестиугольников и обтекания их конденсатом

Рисунок 3 - Схема для определения диаметра окружности, вписанной в максимальную беструбную зону

. Расчет трубной решетки

Определяем вспомогательные величины коэффициенты влияния давления на трубную решетку

,

,

где d_т - наружный диаметр труб, мм; а₁ - расстояние от оси кожуха до оси наиболее удаленной теплообменной трубы, мм; s_T - толщна стенок труб, мм.

Модуль упругости основания (системы труб) определяется по формуле

 МПа

Е_Т - модуль продольной упругости материала труб, МПа;

Ер - модули продольной упругости материалов решетки, труб и кожуха (углеродистая сталь при температуре-до 100°С), МПа;

Приведенное отношение жесткости труб к жесткости кожуха

где s_к - толщина стенки цилиндрической обечайки (кожуха), мм

Относительная характеристика беструбного края

m_н=a/a₁=1,035=1,04

Определяем приведенное давление

p₀=atk_yl+[h_Т-1+m_cp+m_н(m_н+0,5)]p_T-[h_м-1+m_cp+ m_н(m_н+0,3ρ)]p_м=

=10^-5·1,2·14·13,5·1173+(0,68-1+0,2154+1,04·(1,04+0,5))·0,7-(0,6-1+0,2154+1,04·(1,04+0,3))·1=1,62 МПа

a=a_Т=a_К

где a- коэффициент линейного расширения материалов труб и кожуха, 1/град; t - разность температур кожуха греющей камеры и трубок;

p_м - расчетное давление в межтрубном пространстве;

p_т - расчетне давление в трубном пространстве;

Определяем коэффициент ослабления трубной решетки

j_р=1-d₀/t_p=1-43/54,6=0,2125

где d₀ - диаметр отверстия в решетке для труб, мм;

t_p - шаг расположения отверстий в решетке, мм.

Определяем допускаемое значение амплитуды условных упругих напряжений [σa]=280МПа при числе циклов погружения, равном 10 000, за расчетный срок службы аппарата.

Определяем коэффициенты

,

Определяем расчетную толщину трубной решетки определяем по формуле:

 мм

принимаем толщину трубной решетки с учетом прибавок на коррозию и округления до ближайшей большего стандартного значения толщины.

Толщину трубной решетки проверяем по формуле:

.

Определяем осевое усилие в кожухе по формуле

.

Определяем осевое усилие в трубе

.

,

.

Проверяем прочность трубы по формуле:

. Расчёт фланцевого соединения

теплообменник выпарной кожухотрубный хладагент

Определение конструктивных параметров соединения

. Толщина S₀ втулки фланца в зависимости от его конструкции (тип фланца - свободный) принимается таким образом, что удовлетворяет условию S₀ > S.

Высота hв втулки свободного фланца:

Рисунок 4 - Расчётная схема

Внутренний диаметр свободного кольца Ds принимаем.

Диаметр Dб болтовой окружности фланцев:

где u₁ - нормативный зазор между гайкой и обечайкой (u₁ = 8 мм)₆ =24 мм - наружный диаметр болта- внутренний диаметр свободного кольца.

Наружный диаметр фланца:

где а - конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца

Наружный диаметр прокладки выбираем с учетом условия

,

где D_s1 - наружный диаметр бурта ().

Средний диаметр прокладки

,

где b - ширина прокладки

Определяем количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности соединения:

шт.,

где t_ш - рекомендуемый шаг расположения болтов, выбираемый в зависимости от давления (при P_р = 0,6 -1,0 МПа t_ш = (4,0 · 20) d_б).

Полученное значение округляем до значения, кратного четырём.

Высота (толщина) фланца ориентировочно, м:

,

где λ_ф = 0,3._экв - эквивалентная толщина втулки фланца, м.

4. Расчёт на герметичность фланцевого соединения

Определяем нагрузки в соединений при монтаже - F_б1 и в рабочих условиях - F_б2 (см. рис. 5)

Рисунок 5 - Схема действия нагрузок на фланец в рабочих условиях

Равнодействующая от сил внутреннего давления в МН

где b₀ - эффективная ширина прокладки, м (при b < 15 мм b₀ = b = 15 мм); k_пр - коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки

Определяем усилие, возникающее от температурных деформаций

где α_ф, α_б, α_с - соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланца, болтов и свободного кольца);_ф, t_б, t_с - соответственно температуры фланца, болтов, свободного кольца (табл.7);_б, y_п, y_ф, y_с - податливости соответственно болтов, прокладки, фланцев, свободного кольца, определяемые по формулам:

где E_б - модуль упругости материала болтов (табл. 8)_б - расчётная площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы _б - расчётная длина болта, м.

,

где l_бо - расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки, определяется по формуле

,

где h_п - высота стандартной прокладки;

d = d_б - диаметр отверстия под болт, м.

Податливость прокладки

,

где к_п = 0,09 - коэффициент обжатия прокладки из резины;

Е_п - модуль упругости материала прокладки (табл. 5).

Податливость фланцев

,

где Е - модуль упругости материала фланца, Н/м²;

v, λ_ф - безразмерные параметры.

,

,

где ψ₁ ψ₂ - коэффициенты, определяемые по формулам:

,

,

,

где Е_с - модуль упругости материала фланца, Н/м²;_с - высота свободного кольца, м (h_с= h_ф).

Коэффициент жесткости фланцевого соединения при стыковке фланцев одинаковой конструкции:

.

Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления:

,

где: F - внешняя осевая растягивающая (+) или сжимающая (-) сила (F = 0 - в нашем случае);

М - внешний изгибающийся момент (М = 0);

[σ]_σ20 - допускаемое напряжение для материала болта при 20º С, Н/м²

Р_пр - минимальное давление обжатия прокладки, МПа.

Болтовая нагрузка в рабочих условиях:

Н

Приведённый изгибающий момент:

Проверяем условия прочности болтов

,

,

где [σ]_б = 168 МПа- допускаемое напряжение для материала болта при расчётной температуре

Проверяем условие прочности неметаллических прокладок:

,

,

[Р_пр] - допускаемое давление на прокладку 20 МПа

Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером S₀:

,

,

где σ₁ - максимальное напряжение в сечение фланца, ограниченном размером S_х, МПа,_ф - безразмерный параметр, определяемый по монограмме в зависимости от S1/S0

Т_ф - безразмерный параметр, находим по формуле:

.

Напряжение во втулке от внутреннего давления:

Тангенциальное

МПа,

меридиональное

МПа,

Проверяем усилие прочности для сечения фланца, ограниченного размером S0:

где [σ]_б - допускаемое напряжение для фланца в сечении, принимаемое при количестве нагружении соединений 2·103

Проверяем условие прочности для свободного кольца:

МПа,

где М₀^с - приведённый изгибающийся момент, определяемый из условия.

.

Допускаемое напряжения для материала свободного кольца при 20º С и расчётной температуре соответственно

[σ]_с20 = σ_т.с.20,

[σ]_с = σ_т.с,

где σ_т.с.20 и σ_т.с.- предел текучести материала кольца соответственно при 20º С и расчётной температуре.

Проверяем условие герметичности, определяемое углом поворота свободного кольца:

где [Q]_c = 0,026 рад - допустимый угол поворота кольца.

5. Подбор и расчёт опор

Предварительно выбираем опору по ГОСТ сварную (рис. 6а) либо штампованную (рис. 6б), учитывая вес аппарата. Вес аппарата рекомендуется определять, суммируя вес деталей, сборочных единиц с учетом веса, находящегося в аппарате продукта.

Рисунок 6 - Лапы опорные: а - сварные лапы, б - штампованные лапы.

Рисунок 7 - Схема к определению плеча нагрузки

Выбираем сварную опору

Определяем плечо нагрузки по следующей формуле (см. рис.7):

 мм

где b - ширина лапы

Рисунок 8 - Схема к определению плеча нагрузки

Определяем соотношение параметров аппарата и опоры:

.

Определяем напряжение от действия внутреннего давления

МПа.

Максимальное мембранное напряжение от основных нагрузок и реакции опоры определяем по формуле

МПа.

Коэффициент k₁=1 определяют по рис., а максимальное напряжение при изгибе от реакции опоры определяем по следующей формуле:

МПа.

Проверим условие прочности

.

. Укрепление вырезов отверстий

Расчет на прочность укреплений одиночных отверстий выполняют в следующей последовательности:

Определяем расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле

мм

где s - толщина стенки укрепляемой оболочки;

s_p - расчетная толщина стенки укрепляемой оболочки, мм

D_р - расчетные диаметры укрепляемых элементов, определяемые по формулам:

) для цилиндрической обечайки D_p=D;

Расчетную толщину стенки штуцера, нагруженного как внутренним, так и наружным давлением, определяем по формуле

мм

Если ось сварного шва обечайки (днища) удалена от наружной поверхности штуцера на расстояние более чем три толщины укрепляемого элемента, то коэффициент прочности этого сварного соединения при расчете укрепления отверстий следует принимать . В исключительных случаях, когда сварной шов пересекает отверстие или удален от наружной поверхности штуцера на расстояние менее 3s, принимают  в зависимости от вида и качества сварного шва.

Определяем расчетные диаметры в зависимости от выбранного типа укрепления. Определяют расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки, перехода или днища при наличии штуцера с круглым поперечным сечением, ось которого совпадает с нормалью к поверхности в центре отверстия или кругового отверстия без штуцера определяют по формуле

мм

Если расчетный диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию

то дальнейших расчетов укрепления отверстий не требуется.

Заключение

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам. Выбор конструкции аппарата для определенных условий теплообменного процесса зависит в основном от эрудиции и интуиции конструктора. Однако существуют рекомендации общего характера, которыми можно руководствоваться при выборе конструкции теплообменника и схемы движения в нем теплоносителей:

при высоком давлении теплоносителей предпочтительнее трубчатые теплообменники; в этом случае в трубное пространство желательно направить теплоноситель с более высоким давлением, поскольку из-за малого диаметра трубы могут выдержать большее давление, чем корпус;

коррозионный теплоноситель в трубчатых теплообменниках целесообразно направлять по трубам, так как в этом случае при коррозионном изнашивании не требуется замена корпуса теплообменника;

при использовании коррозионных теплоносителей предпочтительнее теплообменные аппараты из полимерных материалов, например фторопласта и его сополимеров, обладающих уникальной коррозионной стойкостью;

если один из теплоносителей загрязнен или дает отложения, то целесообразно направлять его с той стороны теплообмена, которая более доступна для очистки (в змеевиковых теплообменниках - это наружная поверхность труб, в кожухотрубчатых - внутренняя);

для улучшения теплообмена не всегда требуется увеличение скорости теплоносителя (так, например, при конденсации паров для улучшения теплообмена необходимо обеспечить хороший отвод конденсата с теплообменной поверхности, для чего следует подобрать аппарат соответствующей конструкции).

Список литературы

1.   Соколов В.И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств. - М.: Машиностроение, 1983. - 447 с.

2.      Соколов В.И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1992.

3.   Харламов С.В Практикум по расчету и. конструированию машин и

4.      аппаратов пищевых производств: Учебное пособие. - Л.: Агропромиздат, 1991.

5.   Кононюк Л.В., Басанько В.А. Справочник конструктора оборудования пищевых производств. - К.: Техника, 1981.

6.      Остриков А.Н., Абрамов О. В, Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Учебник для вузов. - СПб.: ГИОРД, 2003.

7.   Курочкин А.А., Зимняков В.В. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств. - М.: Колос, 2006.

8.      ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность

.        ГОСТ 24755-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий