3 Конструктивно-механический расчет

3.1 Выбор материала

Согласно таблице III.7[4] допускается использовать сталь марки ВСт.3. По табл. III.5[4] определяем основные характеристики этой стали - предел прочности σ_в = 380 МПа и предел текучести σ_т = 250 МПа (при толщине проката до 20 мм). Данная марка будет использована для изготовления опор и крышек теплообменника.

По трубам будет проходить токсичная органическая жидкость (уксусная кислота). Следовательно материал следует выбирать так, чтобы он был устойчив к данной среде. Из источника [3] выбираем сталь 12Х18Н10Т. Из этой стали будут изготовлены корпус аппарата и его трубные решетки.

Характеристика стали 12Х18Н10Т:

[σ]¹¹⁵ = 140 Мпа – допускаемое напряжение при рабочей температуре

ρ = 7800 кг/м³ – плотность

α = 16,8 · 10^-6 – коэффициент линейного расширения

λ = 16,4 Вт / (м · К) – коэффициент теплопроводности

Е = 2 · 10⁵ Мпа – модуль продольной упругости

3.2 Расчет обечайки корпуса аппарата

Толщину стенки определяют по формуле:

где S_р, S – расчетная и исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки, м;

Р_р – расчетное избыточное давление, Па;

D_в – внутренний диаметр обечайки аппарата, м (принят по результатам теплового расчета); D_в = 0,6 м

[σ] - допускаемое напряжение на растяжение для материала аппарата, Па;

φ - коэффициент прочности продольного сварного шва (таблица III.8 [4]).

При стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполненный автоматической или полуавтоматической сваркой φ = 1.

С – величина суммарной прибавки (которую составляют: прибавка на коррозию, эрозию, механические воздействия, технологическая и монтажная прибавки, прибавка на округление размера).

Расчетное избыточное давление принимают на 10 % (но не менее, чем на 0,2 МПа) больше технологического Р = 0,55 МПа, используя расчетное избыточное давление [4]:

В качестве расчетного давления используют большее из значений, полученных при расчете по формулам:

Допускаемое напряжение для данного типа стали определяется по формуле:

где η – коэффициент, равный 0,9 для взрыво- и пожароопасных сред.

[σ∙] – нормативное допускаемое напряжение для материала корпуса при расчетной температуре, (МПа).

За нормативное допускаемое напряжение для материала корпуса принимаем меньшее из значений, полученных по формулам:

МПа

Толщина стенки обечайки из формулы (3.1):

С учётом прибавки принимаем предварительную толщину стенки обечайки S = 1 + 1 +2,8 = 4,8 ≈ 6 мм.

Проверяем условие применимости толщины для труб и обечаек по формуле [5]:

Окончательно принимаем исполнительную толщину стенки обечайки S = 6 мм.

3.3 Расчет толщины днища и крышки теплообменника

Одной из рациональных форм днища и крышки в цилиндрических аппаратах, диаметр которых меньше 4 м, является эллиптическая [5].

Толщину стенки эллиптического днища определяют в его вершине, где поверхность имеет небольшой радиус кривизны по формуле [4]:

где P_P – расчетное давление, Па;

[σ] – допускаемое напряжение на растяжение для материала аппарата, Па;

φ – коэффициент прочности продольного сварного шва (φ = 1);

С – величина суммарной прибавки (которую составляют: прибавка на коррозию, эрозию, механические воздействия, технологическая и монтажная прибавки, прибавка на округление размера.

Для стандартных днищ [9]: R = D_в; h_в = 0,25D_в, где D_в = 0.6 м – внутренний диаметр аппарата; толщина стенки стандартных днищ близка к толщине стенки цилиндрической обечайки, тогда:

С учетом прибавки: S = 0,9 + 1 + 2,05 = 3.95 ≈ 6 мм.

Принимаем толщину стенки крышки и днища равную толщине обечайки S = 6 мм.

По [9] выбираем эллиптические отбортованные днище и крышку 600-4-150 ГОСТ 6533-98, выполненные из стали марки ВСт.3. На рисунке 3.1 (600-4-150 ГОСТ 6533-98) условно изображено соотношение параметров такой конструкции.

Рисунок 3.1 - Основные размеры днищ

Характеристики данной конструкции приведены в таблице 3.

Таблица 3 – основные конструктивные характеристики эллиптической отбортованной стальной с внутренними базовыми диаметрами

Характеристики	Значения
1. Диаметр кожуха аппарата DB, мм	600
2. Толщина днища s, мм	6
3. Высота закругленной поверхности hB, мм	150
4. Высота плоской поверхности днища h1, мм	25
5. Емкость днища V · 103, м3	35,2
6. Внутренняя поверхность днища и крышки FB, м2	0,44
7. Масса крышки и днища, кг	13,9

При проверочных расчетах допускаемое избыточное давление в эллиптических днищах при соблюдении условия [6]:

Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитывается по формуле:

Где – внутренний радиус кривизны в вершине днища.