117
где П - скорость коррозии или эрозии; Та - срок службы аппарата.
Практика эксплуатации тепломассообменных установок допускает скорость коррозии не более 0,5 мм/год. В этом случае прибавка на компенсацию коррозии составит С = 4...5 мм. При этом обеспечивается срок их службы
8…10 лет.
Для конструктивных элементов, имеющих защитные покрытия, С = 0 . При двустороннем контакте с коррозионной и (или) эрозионной средой
прибавку С1 необходимо удвоить.
7.2 Расчет на прочность элементов кожухотрубного теплообменного аппарата
Исходными данными для расчета являются:
−внутренний диаметр обечайки кожуха D, мм;
−размер теплообменных труб dн × δ, мм;
−число теплообменных труб n ;
−рабочее давление в межтрубном пространстве рм.тр , МПа;
−средняя рабочая температура в межтрубном пространстве tм.тр , оС;
−расчетное давление в межтрубном пространстве рмр.тр , МПа;
−средняя рабочая температура в трубном пространстве tтр , оС;
−расчетное давление в трубном пространстве ртрр , МПа .
Кроме вышеперечисленных исходных данных для выполнения расчета на прочность необходимо выбрать конструкционные материалы аппарата с учетом агрессивности теплоносителей и уровня рабочих температур.
118
7.2.1 Расчет толщины обечаек
Расчет толщины обечаек проводят в соответствии с ГОСТ 14249-80 (Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. М.: Издательство стан-
дартов, 1989).
Исполнительную толщину тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением, рассчитывают по формуле:
|
|
р D |
|
|
|
S ≥ |
|
+ С , |
(7.5) |
|
2[σ]ϕ − р |
|||
где р - внутреннее избыточное давление в корпусе, МПа; |
D - внутренний |
|||
диаметр корпуса, мм; [σ] |
- допускаемое напряжение, МПа; ϕ |
- коэффициент |
||
прочности сварного шва; |
С - прибавка к расчетной толщине стенки, учиты- |
|||
вающая коррозию и эрозию. |
|
|||
В соответствии с ГОСТ 9617 (Сосуды и аппараты. Ряды диаметров. М.: Издательство стандартов, 1979) внутренний диаметр аппарата, изготовляемого из стальных листов, должен быть выбран из следующего ряда: 400; 500; 600;
700; 800; 900; 1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000 мм и т.д. Обечайки изготовля-
ют путем гибки и сварки листового проката (смотри тему 7).
Наружный диаметр аппарата, изготовляемого из стальной трубы, выбира-
ют из следующего ряда: 133; 159; 168; 219; 273; 325; 377; 426; 480; 530; 630;
720; 820; 920; 1020; 1120; 1220; 1320; 1420 мм.
7.2.2 Расчет толщины днищ и крышек
Днища и крышки бывают полусферические, эллиптические, конические, плоские. Для аппаратов, работающих при атмосферном давлении, наиболее простыми в изготовлении и дешевыми являются плоские днища и крышки. Для аппаратов, работающих под избыточным давлением, плоские днища получаются тяжелыми, поэтому целесообразно применение сферических и эллиптических (рисунок 7.1). Конические днища имеют вертикальные выпарные аппара-
119
S
S
H
H
h
h 
D |
D |
|
а) б)
Рисунок 7.1 – Формы крышек и днищ для теплообменных аппаратов а – сферическое; б - эллиптическое
ты и сепараторы пара, что позволяет быстро удалять вязкие растворы при остановке аппаратов для промывок и текущего ремонта.
Толщину стенки эллиптического или полусферического днища определяют по формуле:
S ≥ |
р R |
|
|
+ С , |
(7.6) |
|
2[σ]ϕ − 0,5р |
||||||
где R - радиус кривизны в вершине днища, мм; |
|
|||||
|
R = |
D2 |
, |
|
(7.7) |
|
|
4 |
H |
|
|||
|
|
|
|
|
||
здесь H - высота днища без учета цилиндрической отбортовки h . |
|
|||||
Для эллиптических днищ с H = 0,25 D радиус кривизны R = D . |
|
|||||
Для полусферических днищ с H = 0,5 D радиус кривизны R = 0,5 D . |
|
|||||
Если длина цилиндрической отбортовки у эллиптического |
днища |
|||||
h > 0,8 (D (S −C))0,5 , а у полусф ерического h > 0,3 (D (S −C))0,5 , то толщина днища должна быть не менее толщины обечайки, рассчитанной при ϕ = 1.
Для днищ, изготовленных из целой заготовки (без сварочной операции), коэффициент ϕ = 1. Для сварных днищ этот коэффициент ϕ < 1 берется из справочной литературы в зависимости от способа сварки.
120
Если крышка аппарата не глухая, а имеет штуцер(ы), коэффициент ослабления днища отверстиями
ϕ = D − n d , |
(7.8) |
D
где d - диаметр отверстия; n - количество отверстий.
7.2.3 Определение возможности применения жесткой конструкции кожуха теплообменника
Выполнение этой задачи осуществляется по следующей методике. Площадь поперечного сечения кожуха при толщине стенки S ;
F = π (D + S) S, м2 |
, |
(7.9) |
к |
|
|
Площадь поперечного сечения труб при толщине их стенки δ ;
F |
= π (d |
н |
−δ)δ n, м2 . |
(7.10) |
т |
|
|
|
Сила взаимодействия между кожухом и трубами (при жестком соединении их друг с другом) за счет температурных напряжений определяется по формуле:
|
|
|
|
αt |
|
|
−αt |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
t |
|
t |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
рt = |
|
|
|
к |
к |
|
т |
|
|
т |
|
|
|
, |
(7.11) |
|||
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
+ |
|
1 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Et |
|
F |
|
Et |
|
|
F |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
к |
|
|
к |
|
т |
т |
|
|
|
|||||
где αкt и αтt - коэффициент линейного расширения материала кожуха и труб при их средних температурах tк и tт, оС-1; Eкt и Eтt - модуль продольной
упругости материала кожуха и труб при их средних температурах, МПа.
Сила, растягивающая в осевом направлении кожух и трубы от давления среды в трубном и межтрубном пространствах, определяется по формуле:
р=0,785 |
|
2 |
−d |
2 |
|
|
+ d |
2 |
n p |
|
, МН |
(7.12) |
D |
|
н |
n p |
м.тр |
вн |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
тр |
|
|
Суммарное напряжение на растяжение в кожухе определяется по формуле: