2.3 Укрепление отверстий в оболочке
Отверстие считается одиночным, если ближайшее к нему отверстие не оказывает на него влияния, что имеет место, когда расстояние между наружными поверхностями соответствующих штуцеров удовлетворяет условию:
где:
и
– расчетные диаметры укрепляемых
элементов.
Для цилиндрической оболочки:
м
м
Значит, если отверстия находящиеся на одной цилиндрической оболочке, на расстоянии более чем 39 мм друг от друга, можно считать одиночными отверстиями.
Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки сосуда вычисляется по формуле:
Для отверстия, находящегося на цилиндрической оболочке:
м
Значит, все отверстия, находящиеся на цилиндрической оболочке, имеющие диаметр менее 28.9 мм, в укреплении не нуждаются, а так как на данном аппарате нет отверстий менее 28.9 мм, следовательно, все отверстия нуждаются в укреплении.
Рисунок 4 - Укрепление отверстий
2.3.1 Укрепление штуцера распределительной камеры
Исходные данные:
Внутренний
диаметр штуцера:
м
Толщина
стенки штуцера:
м
Прибавка
к толщине стенки штуцера:
м
Длина
наружной части штуцера:
м
Ширина
накладного кольца:
м
Внутренний диаметр обечайки, на которой находится штуцер: м
Расчетный диаметр укрепляемого элемента: м
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 определяется по формуле:
м
Расчетные длины внешней и внутренней частей круглого штуцера, участвующие в укреплении отверстий и учитываемые при расчете, определяются по формулам:
Для внешней части:
м
Ширина зоны укрепления в обечайках, переходах и днищах определяется по формуле:
м
Расчетная ширина зоны укрепления в стенке обечайки перехода или днища в окрестностях штуцера:
м
Расчетная ширина накладного кольца определяется по формуле:
м
Отношения допускаемых напряжений:
Для
внешней части штуцера:
Для
накладного кольца:
Для
внутренней части штуцера:
Так как внешняя, внутренняя части штуцера , и кольцо сделаны из одной стали, то отношения допускаемых напряжений будет равно 1.
Расчетный диаметр определяется по формуле:
м
Проверим, нужно ли нам вообще укреплять отверстие с помощью накладного кольца, должно выполняться условие:
<
Условие не выполняется, требуется накладное кольцо.
Так как толщина стенки и прибавка к толщине стенки у внешней, внутренней части штуцера и накладного кольца одинакова, то:
Условие выполнено.
2.3.2 Укрепление штуцера корпуса
Исходные данные:
Внутренний диаметр штуцера: м
Толщина
стенки штуцера:
м
Прибавка
к толщине стенки штуцера:
м
Длина наружной части штуцера: м
Ширина накладного кольца: м
Внутренний диаметр обечайки, на которой находится штуцер: м
Расчетный диаметр укрепляемого элемента: м
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, определяется по формуле:
м
Расчетные длины внешней и внутренней частей круглого штуцера, участвующие в укреплении отверстий и учитываемые при расчете, определяются по формулам:
Для внешней части:
м
Ширина зоны укрепления в обечайках, переходах и днищах определяется по формуле:
м
Расчетная ширина зоны укрепления в стенке обечайки перехода или днища в окрестностях штуцера:
м
Расчетная ширина накладного кольца определяется по формуле:
м
Отношения допускаемых напряжений:
Для внешней части штуцера:
Для накладного кольца:
Для внутренней части штуцера:
Так как и внешняя часть штуцера, и внутренняя часть, и кольцо сделаны из одной стали, то отношения допускаемых напряжений будет равно 1.
Расчетный диаметр определяется по формуле:
м
Проверим, нужно ли нам укреплять отверстие с помощью накладного кольца.
Должно выполняться условие:
Условие не выполняется, требуется накладное кольцо.
В случае укрепления отверстия утолщением стенки сосуда или штуцера накладным кольцом должно выполняться условие:
Так как толщина стенки и прибавка к толщине стенки у внешней, внутренней части штуцера и накладного кольца одинакова, то:
Условие выполнено.
2.4 Расчет фланцевых соединений
Рисунок 5 - Фланцевое соединение
2.4.1 Расчет фланца корпуса
Исходные данные:
Внутренний диаметр обечайки: м
Толщина
стенки обечайки:
м
Внутреннее
давление:
МПа
Температура
среды:
0С
Материал фланца – сталь X18H10T
Материал болтов – сталь 35Х
Коэффициент прочности сварных швов
Конструктивные размеры фланца
Толщина
втулки
определяется из соотношения:
м
Толщина
втулки
где:
– коэффициент, равный соотношению
В
соответствии с [3, c. 95] принимаем
м
Высота
втулки
определяется из формулы:
где:
– уклон втулки, в соответствии с [3, c.
94]
м
Примем
м
Эквивалентная толщина втулки фланца:
м
Диаметр болтовой окружности:
где:
м
– нормативный зазор между гайкой и
втулкой
– диаметр
отверстия в фланце под болт;
м
м
Наружный диаметр фланца:
где:
– конструктивная добавка для размещения
гаек по диаметру фланца, в соответствии
с [3, c. 95]
м
м
Наружный диаметр прокладки:
где:
– нормативный параметр, зависящий от
типа прокладки в соответствии с [3, c. 95]
м
м
Средний диаметр прокладки:
где:
– ширина прокладки в соответствии с
[3, c. 96]
м
м
Количество болтов:
где:
– рекомендуемый шаг, определяемый по
формуле:
м
Округляем
значение
до целого, делящегося на 4 без остатка
Высота (толщина) фланца:
где:
– коэффициент, зависящий от внутреннего
давления; в соответствии с [3, c. 97]
м
принимаем
м
Ориентировочное расстояние между опорными поверхностями гаек для фланцевого соединения с уплотнительной поверхностью:
где
– толщина фланца корпуса;
м
– толщина
фланцев распределительной камеры и
крышки;
м
м
Нагрузки, действующие на фланец.
Равнодействующая внутреннего давления, определяется по формуле:
МН
Реакция прокладки:
где:
– коэффициент, зависящий от материала
и конструкции прокладки в соответствии
[3, c. 98] принимаем
– эффективная
ширина прокладки, определяемая по
формуле:
м
МН
Усилие, возникающее от температурных деформаций:
где:
– коэффициент линейного расширения
материала фланца;
в
соответствии [3, c. 286]
– коэффициент
линейного расширения материала болтов
в
соответствии [3, c. 286]
– расчетная
температура фланца, определяемая по
формуле:
– расчетная
температура болта, определяемая по
формуле:
– модуль
упругости болта; в соответствии [3, c.
286]
МПа
– площадь
поперечного сечения болта; в соответствии
[3, c. 98]
м2
– линейная
податливость болта, определяемая по
формуле:
где:
– длина болта:
где – внешний диаметр болта;
м
– линейная
податливость прокладки, определяемая
по формуле:
где:
– модуль упругости прокладки; в
соответствии [3, c. 286]
примем
МПа
– линейная
податливость фланца, определяемая по
формуле:
где:
– безразмерный параметр, определяемый
по формуле:
– безразмерный
параметр, определяемый по формуле:
– безразмерный
параметр, определяемый по формуле:
где:
– безразмерный коэффициент:
МН
Коэффициент жесткости фланцевого соединения, определяется из формулы:
Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления:
где:
– минимальное давление обжатия прокладки;
в
соответствии с [3, c. 98]
МПа
МН
Болтовая нагрузка в рабочих условиях:
МН
Приведенный изгибающий момент:
Проверка прочности и герметичности соединения
Условие прочности болтов:
где:
– допускаемое напряжение болта при
температуре 200С;
в
соответствии [3, c. 93]
МПа
МПа
Условие выполняется.
где:
– допускаемое напряжение болта при
температуре -140С;
в
соответствии [3, c. 93]
МПа
МПа
Условие выполняется.
Условие прочности неметаллической прокладки из паронита:
где:
– допускаемое давление обжатия прокладки;
в
соответствии с [3, c. 98]
МПа
МН
МПа
Условие выполняется.
Максимальное напряжение в сечении фланца, ограниченном размером S1
где:
м
– приведенный
изгибающий момент с учетом изгибающего
момента от силы тяжести распределительной
камеры
– безразмерный
параметр, определяемый по формуле:
МПа
Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером S0
где:
– безразмерный параметр; в соответствии
с [3, c. 101]
МПа
Окружное напряжение в кольце фланца:
МПа
Напряжение во втулке от внутреннего давления:
Тангенциальное:
МПа
Меридиональное:
МПа
Условие прочности для сечения фланца, ограниченного размером S1
где:
;
в
соответствии с [3, c. 282]
МПа
МПа
Условие выполняется.
Условие прочности для сечения, ограниченного размером S0
где:
МПа
МПа
Условие выполняется.
Условие герметичности, определяемое углом поворота фланца:
где:
– предельно допускаемый угол поворота
фланца; в соответствии с [3, c. 102]
рад
Условие выполняется.
Расчет фланца распределительной камеры
Исходные данные:
Внутренний диаметр обечайки: м
Толщина
стенки обечайки:
м
Внутреннее
давление:
МПа
Температура
среды:
0С
Материал фланца – сталь X18H10T
Материал болтов – сталь 35Х
Коэффициент прочности сварных швов
Конструктивные размеры фланца
Толщина втулки определяется из соотношения:
м
Толщина втулки
где: – коэффициент, равный соотношению
В
соответствии с [3, c. 95] принимаем
м
Высота втулки определяется из формулы:
где:
– уклон втулки; в соответствии с [3, c.
94]
м
Эквивалентная толщина втулки фланца:
м
Диаметр болтовой окружности:
где: м – нормативный зазор между гайкой и втулкой
– диаметр отверстия во фланце под болт;
м
м
Наружный диаметр фланца:
где: – конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца, в соответствии с [3, c. 95]
м
м
Наружный диаметр прокладки:
где: – нормативный параметр, зависящий от типа прокладки в соответствии с [3, c. 95] м
м
Средний диаметр прокладки:
где: – ширина прокладки в соответствии с [3, c. 96] м
м
Количество болтов:
где: – рекомендуемый шаг, определяемый по формуле:
м
Округляем значение до целого, делящегося на 4 без остатка
Высота (толщина) фланца:
где: – коэффициент, зависящий от внутреннего давления; в соответствии с [3, c. 97]
м
принимаем
м
Ориентировочное расстояние между опорными поверхностями гаек для фланцевого соединения с уплотнительной поверхностью:
где – толщина фланца корпуса; м
– толщина фланцев распределительной камеры и крышки;
м
м
Нагрузки, действующие на фланец.
Равнодействующая внутреннего давления, определяется по формуле:
МН
Реакция прокладки:
где: – коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки в соответствии [3, c. 98] принимаем
– эффективная ширина прокладки, определяемая по формуле:
м
МН
Усилие, возникающее от температурных деформаций:
где: – коэффициент линейного расширения материала фланца;
в соответствии [3, c. 286]
– коэффициент линейного расширения материала болтов
в соответствии [3, c. 286]
– расчетная температура фланца, определяемая по формуле:
– расчетная температура болта, определяемая по формуле:
– модуль упругости болта; в соответствии [3, c. 286] МПа
– площадь поперечного сечения болта; в соответствии [3, c. 98] м2
– линейная податливость болта, определяемая по формуле:
где: – длина болта:
где – внешний диаметр болта;
м
– линейная податливость прокладки, определяемая по формуле:
где: – модуль упругости прокладки; в соответствии [3, c. 286]
МПа
– линейная податливость фланца, определяемая по формуле:
где: – безразмерный параметр, определяемый по формуле:
– безразмерный параметр, определяемый по формуле:
– безразмерный параметр, определяемый по формуле:
где: – безразмерный коэффициент:
МН
Коэффициент жесткости фланцевого соединения, определяется из формулы:
Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления:
где: – минимальное давление обжатия прокладки;
в соответствии с [3, c. 98] МПа
МН
Болтовая нагрузка в рабочих условиях:
МН
Приведенный изгибающий момент:
Проверка прочности и герметичности соединения
Условие прочности болтов:
где: – допускаемое напряжение болта при температуре 200С;
в соответствии [3, c. 93] МПа
МПа
Условие выполняется.
где: – допускаемое напряжение болта при температуре -140С;
в соответствии [3, c. 93] МПа
МПа
Условие выполняется.
Условие прочности неметаллической прокладки из паронита:
где: – допускаемое давление обжатия прокладки;
в соответствии с [3, c. 98] МПа
МН
МПа
Условие выполняется.
Максимальное напряжение в сечении фланца, ограниченном размером S1
где: м
– приведенный изгибающий момент с учетом изгибающего момента от силы тяжести распределительной камеры
– безразмерный параметр, определяемый по формуле:
МПа
Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером S0
где: – безразмерный параметр; в соответствии с [3, c. 101]
МПа
Окружное напряжение в кольце фланца:
МПа
Напряжение во втулке от внутреннего давления:
Тангенциальное:
МПа
Меридиональное:
МПа
Условие прочности для сечения фланца, ограниченного размером S1
где: ;
в соответствии с [3, c. 282] МПа
МПа
Условие выполняется.
Условие прочности для сечения, ограниченного размером S0
где: МПа
МПа
Условие выполняется.
Условие герметичности, определяемое углом поворота фланца:
где: – предельно допускаемый угол поворота фланца; в соответствии с [3, c. 102] рад
Условие выполняется.
2.5 Расчет трубной решетки
В соответствии с общим чертежом, приведенным в начале данной работы, выбираем тип соединения, показанный на рисунке
Рисунок 6 - Конструкция плоской трубной решетки
2.5.1 Конструктивные размеры трубной решетки
Расчетная высота средней части решетки, определяется по формуле:
где:
– коэффициент, зависящий от конструкции
решетки;
в
соответствии [4, c. 312]
– коэффициент прочности решетки, определяется по формуле:
где:
– число отверстий по диаметру.
– диаметр
отверстия под трубу.
м
– прибавка
к толщине стенки.
м
2.5.2 Расчет закрепления труб в трубной решетке
Расчетная
осевая сила
,
действующая в месте закрепления трубы
в решетке:
где:
– давление в трубном пространстве.
МПа
Н
где:
– давление в межтрубном пространстве.
МПа
Н
H
Вальцовочное закрепление трубы в решетке должно отвечать условию для гладкой развальцовки:
Условие выполняется.
2.6 Расчет линзового компенсатора
Рисунок 7- Линзовый компенсатор
Принимаем
толщину стенки линзы компенсатора
равной толщине стенки корпуса аппарата
(исходя из расчета на прочность от
внутреннего давления):
м
Реакция
компенсатора по оси его
при принятой толщине стенки определяется
по формуле:
где:
– длина корпуса и труб.
м
– коэффициент
линейного расширения материала кожуха
(сталь 12Х18Н10Т).
– средняя
температура стенки кожуха.
– коэффициент
линейного расширения материала труб
(сталь 12Х18Н10Т)
– средняя
температура стенок труб.
– модуль
упругости материала кожуха.
МПа
– площадь
поперечного сечения корпуса, определяемая
по формуле:
где:
– толщина стенки корпуса аппарата.
м
– модуль
упругости материала труб.
МПа
– площадь
поперечного сечения труб, определяемая
по формуле:
где:
– внешний диаметр трубы.
м
– толщина
стенки трубы.
м
– количество
труб.
– коэффициент;
в соответствии с [4, с. 320]
– коэффициент,
определяемый как:
где
– диаметр линзового компенсатора;
в
соответствии с [6]
м
Н
Деформация одной линзы компенсатора определяется по формуле:
м
Расчетное
число линз в компенсаторе
при длине труб в холодильнике
определяется по формуле:
Принятое число линз равно:
2.7 Расчет опор
Эскиз опор для горизонтального аппарата представлен на рисунке
Рисунок 8 - Опора горизонтального аппарата
2.7.1 Расчетные нагрузки
Масса
заполненного аппарата в целом составляет
кг.
Рисунок 9 - Схема нагружения корпуса и опор
Рисунок 10 - Эпюры поперечных сил и изгибающих моментов
В соответствии с принятой расчетной схемой определяющими параметрами являются изгибающие моменты.
В сечении посередине пролета расчетный момент равен:
В сечении над опорой расчетный момент принимается максимальным из двух имеющихся. Исходя из эпюры, это:
2.7.2 Прочность стенки аппарата от совместного действия изгиба и
давления
Прочность стенки от совместного действия изгиба и давления проверяется в двух сечениях:
где:
– толщина стенки корпуса аппарата.
– прибавка
к толщине стенки.
– расчетное
давление в корпусе.
– внутренний диаметр корпуса аппарата.
– допускаемое
напряжение для материала аппарата при
расчетной температуре.
– коэффициент
прочности сварного шва.
Условие выполняется
где:
– толщина подкладного листа;
м.
– коэффициент,
принимаемый в соответствии с [5, c. 11].
Условие выполняется
2.7.3 Напряжение среза в опорном сечении оболочки
Максимальные напряжения среза в опорном сечении оболочки:
при
установке кольца жесткости в опорном
сечении и
Па
МПа
2.7.4 Определение кольцевых напряжений в оболочках, укрепленных
кольцами жесткости, и расчет колец жесткости.
Кольцевое напряжение в оболочке над опорой за пределом влияния кольца жесткости определяется:
где:
– коэффициент, принимаемый в соответствии
с [5, c. 18].
– наибольшая
из поперечных сил, действующих на опоры,
из эпюры следует, что
Н.
– эффективная
длина обечайки в сечении над опорой.
где:
– ширина кольца жесткости;
м.
м
Па
Кольцевое напряжение в обечайке в зоне влияния кольца жесткости и расчет кольца жесткости:
напряжение в обечайке
где:
– коэффициент, принимаемый в соответствии
с [5, c. 19].
– коэффициент,
принимаемый в соответствии с [5, c. 22].
– расчетная
площадь поперечного сечения обечайки
и колец
жесткости.
– расстояние
от центра тяжести расчетного сечения
до обечайки.
– эффективный
момент инерции расчетного сечения.
Па
МПа
напряжение в кольце жесткости
где:
– расстояние от центра тяжести расчетного
сечения до кольца
жесткости.
Па
МПа
2.7.5 Нагрузки, действующие на опору
Наибольшая из двух реакция опоры, исходя из рисунка, равна:
Н
Горизонтальная нагрузка на опору (перпендикулярно оси аппарата):
где:
– коэффициент, принимаемый в соответствии
с [5, c. 24].
Н
Горизонтальная нагрузка на опору (параллельная оси аппарата)
Н
2.7.6 Расчет опорной плиты
Площадь
опорной плиты
в плане устанавливается конструктивно.
Требуемая площадь опорной плиты
определяется по формуле:
где:
– допускаемое напряжение сжатия бетона.
Во
всех случаях
Толщина опорной плиты определяется по формуле:
где:
– из рисунка.
– коэффициент,
принимаемый в соответствии с [5, c. 26].
.
МПа.
м
Во
всех случаях
м.
2.7.7 Расчет толщин ребер опоры
Толщина ребра 1 должна удовлетворять условию прочности на изгиб и растяжение:
где:
– толщина ребра опоры.
Па
МПа
Расчет
толщины ребер 1 и 2 на устойчивость от
действия сжимающей нагрузки
.
Величина погонной нагрузки на единицу длины ребра:
где:
– общая длина ребер.
где:
,
– размеры из рисунка.
– число
ребер на опоре.
м
Напряжение сжатия:
Па
Условие устойчивости:
допускаемое напряжение на устойчивость
где:
– предел текучести опорных элементов.
МПа
Условие выполняется.
Заключение
В ходе проведения данной курсовой работы, было произведено множество расчетов, а именно:
расчет и проверка стенок аппарата.
расчет на укрепление отверстий в аппарате для штуцеров.
расчет и проверка фланцевого соединения.
расчет трубной решетки и проверка закрепления в ней труб.
К пояснительной записке прилагается графическая часть:
1-ый лист – сборочный чертеж аппарата.
2-ой лист – сборочный чертеж корпуса аппарата.
3-ий лист – сборочный чертеж трубного пучка.
4-ый лист – деталировка.
Все эти расчеты в совокупности дали полную разработку теплообменного аппарата типа ХК.
Список использованных источников
1. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. – Москва: Химия, 1975. – 815 с.
2. ГОСТ 15120-79 Холодильники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе.
3. Михалев М.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. – Л.: Машиностроение 1984. – 300 с.
4. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. – Л.: Машиностроение 1981. – 648 с.
5. РТМ 26-110-72 Расчет на прочность горизонтальных цилиндрических аппаратов, установленных на седловых опорах.
Размещено на Allbest.ru