4. Расчет элементов теплообменного аппарата на прочность

Элементы конструкции теплообменных аппаратов должны выдерживать напряжения, возникающие в них от давления теплоносителей, от собственного веса и веса теплоносителей веществ, а также от термических деформаций. При проектировании теплообменников подбирают конструктивные материалы, а затем расчетом на прочность определяют размеры частей и деталей, которые могут обеспечить прочность.

Расчет на прочность должен проводиться строго в соответствии с ГОСТ 14249-89. Так в соответствии с ГОСТом толщина стенки элемента аппарата должна определяться по следующей формуле:

, (4.1)

где S_R – расчетная толщина стенки элемента;

С – величина прибавки к расчетным толщинам.

Величина прибавки к толщине определяются по формуле

, (4.2)

где С₁ – прибавка для компенсации коррозии или эрозии материала;

С₂ – прибавка для компенсации минусового допуска;

С₃ – технологическая прибавка.

Технологическая прибавка предусматривает компенсацию утолщения стенки элемента сосуда или аппарата при технологических операциях – вытяжке, штамповке, гибке труб и т.д.

Расчет толщины гладкой цилиндрической обечайки производится

по внутреннему избыточному давлению теплоносителя

Толщину стенки следует рассчитывать по формулам:

, (4.3)

где p – расчетное внутреннее избыточное давление, МПа;

D – внутренний диаметр кожуха теплообменника, мм;

 – допускаемое напряжение материала при расчетной температуре 4, МПа;

=0,7…0,85 – коэффициент прочности сварных соединений 4.

Величина прибавки к толщине для гладких цилиндрических обечаек в соответствии с 4 равна 4,0 мм. Окончательно толщину обечайки принимаем по ГОСТ 15121-79.

Расчет толщины эллиптического и полусферического

днища, нагруженного избыточным давлением

На рис. 2 приведены расчетные схемы эллиптических и полусферических днищ.

Р ис. 2. Выпуклые днища

а – эллиптическое днище; б – полусферическое днище

Толщину стенки следует рассчитывать по формулам

;

, (4.4)

где R – радиус кривизны в вершине днища;

– для эллиптических днищ (Н = 0,25 D);

– для полусферических днищ (Н = 0,5 D).

Для днищ изготовленных из целой заготовки коэффициент  = 1. Для днищ, изготовленных из нескольких заготовок, коэффициент  =0,7…0,85 следует определять в соответствии с 4, в зависимости от прочности сварного шва.

С учетом прибавки С=4,0 окончательно толщина днища принимается по ГОСТ 15121-79.

Расчет плоских круглых днищ, крышек и трубных досок

Толщина плоских круглых днищ, крышек и трубных досок, работающих под внутренним избыточным давлением, следует рассчитывать по формулам

; (4.5)

, (4.6)

где k – коэффициент, определенный в зависимости от конструкции днищ и крышки в соответствии с 4.

D_R определяется в зависимости от конструкции крышек и днищ по 4. В большинстве случаев можно принять .

Величина коэффициента ослабления k_o для днищ и крышек, имеющих одно отверстие, следует определять по формуле

, (4.7)

где d – диаметр отверстия.

Величину коэффициента ослабления k_o для трубных досок, имеющих несколько отверстий, следует определять по формуле

, (4.8)

где d_i – максимальная сумма длин хорд отверстий в наиболее ослабленном диаметральном сечении трубной доски.

При отсутствии отверстий в крышках и днищах k_o =1.

Во всех случаях присоединения днища или крышки к обечайке минимальная толщина плоского круглого днища или крышки должна быть больше или равна толщине обечайки.

Расчет фланцевых соединений

Фланцевые соединения теплообменных аппаратов должны обеспечивать плотность и прочность сопрягаемых частей, удобства и быстроту сборки и разборки. Для создания плотности соединения между фланцами закладывают прокладки из паронита. Все размеры фланцев и прокладок кроме толщины определяются по Приложению 4 в зависимости от условного диаметра и величины условного давления.

Целью расчета фланцевых соединений и является определение расчетного усилия в болтах, размеров болтов, а также толщины прокладок и фланцев. Подробно расчет соединений приведен в 3.

Усилие необходимое для первоначального сжатия прокладки при затяжке , кг определяются по формуле

(4.9)

где b – эффективная ширина прокладки, см;

D_k – средний диаметр кольца прокладки, см;

q_o – удельное давление на рабочую поверхность прокладки, кг/см².

Так как в рабочем состоянии прокладки затянуты неравномерно по окружности фланца, то принято брать некоторую эффективную ширину b, равную

, при b  10 мм;

, при b  10 мм,

где b_o – действительная ширина прокладки, см.

В водо-водяных и пароводяных аппаратах используют прокладки из паронита толщиной 1,5…2,5 мм. При такой толщине паронитовой прокладки удельное давление q_o можно принять равным 120 кг/см².

Плотность фланцев при рабочем давлении в сосуде обеспечивается при приложении усилий

(4.10)

где – минимальное давление на рабочую поверхность прокладки, кг/см²;

p – рабочее давление среды, кг/см²;

m – коэффициент, принимаемый для прокладок фланцев аппаратов, крышек и днищ равным 1,2, фланцев трубопроводов – 1,5.

Усилие, создаваемое внутренним давлением в аппарате, можно выразить как

, (4.11)

где D_пр – внешний диаметр прокладки, см.

Усилие, необходимое для первоначального сжатия прокладки , принимают равным наибольшему из значений

(4.12)

В свою очередь расчетное усилие в болтах P_б (в ГОСТ 12815-80 – условное давление P_у) принимают равным наибольшему из величин:

(4.13)

В теплообменных аппаратах используются плоские круглые фланцы, или фланцы, приваренные, встык. Минимальную толщину таких фланцев оценивают как:

, мм (4.14)

где λ₁ – вспомогательный коэффициент, для плоских приварных фланцев λ₁=0,35+ 0,1p;

для фланцев приварных встык λ₁=0,25+ 0,075p;

p – избыточное давление, МПа;

D_в – внутренний диаметр соединяемых фланцем частей теплообменного аппарата или патрубков, мм;

S_э – толщина стенки корпуса или трубы, мм.

Для плоских фланцев S_э= S₀,

Для приваренных встык S_э= S₀·X_ф;

X= 1,2…1,5 – коэффициент, зависящий от конструкции фланца, меньшее значение соответствует большим значениям D_в.

Из технологических соображений предпочтительно изготавливать трубные доски и фланцы из одного листа. В этом случае толщина трубной доски S1, определенная по (4.5) должна быть больше толщины фланца h, рассчитанного по (4.14).