Розрахунок кожухотрубного теплообмінника

Розрахунок кожухотрубного теплообмінника

Реферат

Записка: 8 рисунків, 1 таблиця, 5 джерел.

Ключові слова: теплообмінник, обичайки, днище, фланець, розрахунок, навантаження, напруження,

У загальній частині приведений опис устрою теплообмінника, та його основних деталей.

У спеціальній частині виконані розрахунки геометричних розмірів обичайки, днища. Для фланцеві з’єднання були виконані конструктивні розрахунки, та перевірка міцності і герметичності з’єднання.

Зміст

Вступ

. Загальна частина

.1 Техніко-економічне обґрунтування

.2 Устрій та принцип роботи теплообмінника

.3 Монтаж теплообмінника

. Спеціальна частина

.1 Тепловий розрахунок теплообмінника

.1.1 Вихідні данні

.1.2 Попередній тепловий розрахунок

.1.3 Тепловий розрахунок

.1.4 Вибір типа теплообмінника

.2 Розрахунок кожуха

.2.1 Вихідні данні

.2.2 Розрахунок геометричних розмірів кожуха

.3 Розрахунок днища

.3.1 Вихідні данні

.3.2 Розрахунок геометричних розмірів днища

.4 Розрахунок фланцевого з’єднання

.4.1 Конструктивні розрахунки фланця

.4.2 Розрахунок навантажень, що діють на фланець

.4.3 Перевірка міцності і герметичності з’єднання

Висновок

Література

Вступ

У хімічній промисловості широке розповсюдження отримали теплові процеси - нагрівання та охолодження рідин, газів та конденсація парів, що відбуваються у теплообмінних апаратах.

Теплообмінниками називаються апарати, що призначені для передачі тепла від одних речовин до інших. Речовини, що приймають участь у процесі передачі тепла називають теплоносіями. Теплоносії, що мають більш високу температуру і віддають тепло прийнято називати нагріваючими агентами, а теплоносії з більш низькою температурою, ніж середовище, від якої вони сприймають тепло - охолоджуючими агентами.

Теплообмінні апарати призначені для проведення процесів теплообміну при необхідності нагрівати або охолоджувати середовища з метою її обробки або утилізації тепла.

Питома вага теплообмінного обладнання складає 15-18% на підприємствах хімічної промисловості, а у нафтопереробній - він доходить до 50%. Це обумовлено тим, що усі основні процеси хімічної технології (сушка, ректифікація, випарювання та інші) пов’язані з необхідністю підведення або відведення тепла.

Умова проведення процесів теплообміну у промислових апаратах дуже різноманітні. Ці апарати застосовуються для робочих середовищ з різним агрегатним станом та структурою (газ, пар, емульсія та інші) в широкому діапазоні температур, тиску та фізико-хімічних властивостей.

Через різні вимоги, що застосовують до теплообмінників, застосовують апарати самих різних конструкції та типів: ”труба у трубі”, кожухотрубні, пластинчасті, спіральні, змієподібні, повітряного охолодження та інші.

Серед цих апаратів біля 80% займають кожухотрубні теплообмінники, так як вони прості у виготовлені, надійні в експлуатації та універсальні.

Кожухотрубні теплообмінники застосовуються у хімічній, нафтовій, нафтопереробній, газовій та інших галузях промисловості для нагріву, охолодження, конденсації та випарювання рідини, пару та суміші.

1. Загальна частина

.1 Техніко-економічне обґрунтування

Для здійснення процесів теплообміну застосовують різні по конструкції теплообмінники.

Теплообмінник “труба у трубі” застосовують головним чином для нагрівання або охолодження в системі рідина-рідина, коли витрати теплоносія незначні і останні не змінюють свого агрегатного стану. Також теплообмінники мають порівняльно малий гідравлічний опір між трубного простору.

У хімічній промисловості застосовують також зрошувальні теплообмінники. Теплота, що перекачується по трубах робочої рідини у цих теплообмінниках відводиться за рахунок нагріву зрошувальної води та частково за рахунок їі випарювання, внаслідок чого витрати води менше у порівнянні з теплообмінниками інших видів. Однак зрошувальні теплообмінники мають низьку ефективність, хоча вони прості у виготовленні та ремонті.

Погружні змієвикові теплообмінники використовують для теплообміну між середовищами, одна з яких знаходиться під високим тиском. Ці теплообмінники характеризуються відмінною здатністю до самокомпенсаціі температурних напружень та низьким гідравлічним опором. Їх недолік - складність виготовлення та монтажу.

Пластинчасті теплообмінники, представляють собою апарати, поверхня теплообміну яких утворена набором тонких штампованих пластин з гофрированою поверхнею. Ці теплообмінники достатньо прості у монтажу та демонтажу, для свого очищення вони потребують незначних затрат праці. Однак вони складні у виготовленні.

Але найбільш розповсюдженою конструкцією теплообмінників э кожухотрубні. Ці теплообмінники прості у виготовленні і по конструкції, можуть бути використані в довільно широкому діапазоні тисків і температур робочих середовищ, надійні у експлуатації та універсальні, тобто можуть бути використані для теплообміну між газами, парами, рідинами в любому сполучені теплоносіїв.

Кожухотрубні теплообмінники по конструкціі діляться на апарати з нерухомими трубними решітками (тип Н), з температурним компенсатором на кожуху (тип К), з плаваючою головкою (тип П) та U - подібними трубами (тип У).

У теплообмінниках типа Н труби жорстко з’єднані з трубними решітками, а решітка приварена до кожуху. Цей тип теплообмінника має два недоліки. По перше, навантажена поверхня труб не може бути очищена від забруднення механічним способом. По друге, в цих теплообмінниках у кожуху і трубах виникають температурні напруження. Тому ці теплообмінники застосовують при невеликій різниці температур (менше 50С) кожуха і труби.

У теплообмінниках з температурним компенсатором для часткової компенсації температурних деформації використовується спеціальний гнучкий елемент - компенсатор, що розташований на корпусі.

Кожух виготовляється із стандартної труби, що спрощує технологію виготовлення теплообмінника.

.2 Устрій та принцип роботи кожухотрубного теплообмінника

Одноходовий горизонтальний кожухотрубний теплообмінник з температурним компенсатором на кожуху (рис. 1.1) складається з основних елементів: циліндричного кожуха 1, камер розподілення 4, 5, труб 2, трубних решіток 3 та лінзового компенсатора 6, перегородок 8 та встановлюється на двох опорах 8.

Рис. 1.1 - Кожухотрубний теплообмінник

У кожухотрубному теплообміннику одне із середовищ рухається в середині труб (по трубному простору), а інша по між трубному простору. Середовища звичайно направляють протитоком один до одного.

Теплообмінники можуть бути, як горизонтальними так, і вертикальними. Вертикальні теплообмінники більш прості в експлуатації і займають меншу виробничу площу. Горизонтальні теплообмінники виготовляються частіше багатоходовими і працюють при великих швидкостях теплообмінних рідин.

Характеристика теплообмінника представлена в табл. 1.1.

Таблиця 1.1 - Характеристика теплообмінника

Кожух уявляє собою циліндричну обичайку, що виконана з труби.

З кінців кожух закритий двома плоскими трубними решітками. У трубних решітках закріплені на розвальцовках теплообмінні труби.

Якщо середня різниця температур труб і обичайки у теплообміннику становить значними (приблизно 50), то труби і кожух подовжуються неоднаково. Це викликає значні напруження у трубній решітці, що може порушити цільність з’єднання труб з решітками, і привести до руйнування зварних швів і змішування рідин. Тому для зменшення температурних деформацій, що обумовлені великою різницею температур труб і обичайки, значною довжиною труб, а також різними матеріалами труб і кожуха використовують лінзовий компенсатор. Така конструкція відрізняється простою конструкцією, але вони не застосовуються при невеликих тисках.

Теплообмінник має вварений між двома частинами лінзовий компенсатор. Компенсатор позволяє частково компенсувати температурні деформації. Лінзовий компенсатор зварений з двох напівлінз, що отримані з листа штампуванням

Компенсатор має у нижній частині лінзи дренажні отвори з заглушками для зливу води після гідравлічних випробувань теплообмінника.

Труби в решітках звичайно розміщують рівномірно по периметру правильних шестикутників, тобто по вершинам рівномірних трикутників (рис. 1.2, а), рідше застосовують розташування труб по концентричним колам (рис 1.2, б).

В окремих випадках, коли необхідно забезпечити зручність чистки зовнішніх поверхонь труб, їх розташовують по периметрам прямокутників (рис 1.2, в). Усі зазначені способи розміщення труб переслідують одну ціль - забезпечити можливість компактного розміщення необхідної поверхні теплообміну всередині апарата. В більшості випадків найбільша компактність досягається при розміщенні трубок по периметрам правильних шестикутників.

Рис. 1.2 - Способи розміщення труб у теплообміннику

Труби закріплюють у решітках частіше розвальцюванням (рис. 1.3, а, б), при цьому особливо міцне з’єднання досягається при наявності в трубних решітках отворів з кільцевими канавками, що заповнюють метолом труби, в процесі її розвальцювання (рис. 1.3, б). Крім того використовують закріплення труб зварюванням (рис. 1.3, в), якщо матеріал труби не піддається витяжки і допустимо міцне з’єднання труб з трубної рішити, а також пайкою (рис. 1.3, г), застосовують для з’єднання головним чином мідних та латунних труб. Інколи застосовують з’єднання труб з решіткою за допомогою сальників (рис. 1.3, д), що допускають вільне повздовжнє переміщення труб і можливість їх швидкої заміни. Таке з’єднання дозволяє значно зменшити температурну деформацію труб, але є дуже складним, дорогим і недостатньо надійним.

Рис. 1.3 - Закріплення труб у трубних решітках

кожухотрубний теплообмінний апарат

Розподільча камера представляє собою кришки, що обмежують корпус апарата по трубному простору з обох торців.

Розподільчі камери виконані з’ємними на фланцях, що позволяє чистити внутрішню поверхню труб.

Теплообмінник має також в між трубному просторі поперечні круглі з діаметрально чергуючими у них сегментними зрізами перегородки, діаметр яких менше внутрішнього діаметру кожуха і які встановлюються на рівній відстані один від одного. Ці перегородки забезпечують рух середовища у між трубному просторі поперек труб та поліпшують теплопередачу в ньому, та слугують для останніх одночасно ы проміжними опорами.

У міжтрубному просторі теплообмінника перед отворами штуцера, що підводять середовище передбачений відбійник. Відбійник призначений для попередження пошкодження прилягаючих труб від механічного впливу на них поступаю чого потоку робочої рідини та ерозії.

Теплообмінник має дві опори, що приварені.

.3 Монтаж теплообмінника

Заказник повинен до початку монтажу теплообмінника організувати комісію із представників: заказника, заводу - виробника і монтажної організації.

Комісія повинна визначити готовність теплообмінника до монтажу, при цьому перевірити:

якість фундаменту і наявність документів о прийманні фундаменту;

дотримуватись правил зберігання його до монтажу;

справність упаковки теплообмінника;

готовність приміщення де буде монтуватися теплообмінник. Монтаж теплообмінника відбувається в підготовленому приміщенні з температурою не нижче + 15С;

наявність під’ємно-транспортного механізму вантажопід’ємностью не менше 5 тон;

результати огляду приміщення оформляються актом с висновками о готовності приміщення до монтажу.

Доставити до місця монтажу теплообмінник в упакованому виді (згідно креслень заводу - виробника).

Перевірити комплектність теплообмінника. Стан теплообмінника і його комплектність фіксується двостороннім актом і затверджується головним інженером заводу - виробника.

Виконати разконсервацію теплообмінника згідно вимогам ГОСТ 9.014-78.

Перед монтажем ознайомитись з конструкцією теплообмінника, схемами стропоління його частин і вимог до монтажу.

Теплообмінник встановлюється на фундамент. Глибина закладки фундаменту повинна відповідати допускам навантаження на фундамент в залежності від марки бетону.

На стяжках рами повинна бути передбачена монтажна мітка, які фіксує головну вісь теплообмінника при перевірці його положення відносно осей теплообмінника.

До монтажу теплообмінника на фундамент необхідно покласти упорні пластини в залежності від розташування установочних вінтів.

Установка теплообмінника по осям в плані відбувається при мінімальному випуску установочних болтів, після чого регулюванням вінтів теплообмінник виставляється по висоті і горизонталі.

На протязі 30 хвилин після закінчення підливки повинно бути перевірено положення теплообмінника.

Теплообмінник заземлюють згідно діючим правилам і норм.

Після остаточної затяжки фундаментних болтів виконуються приєднання всіх трубопроводів теплообмінника.

Спробний пуск відбувається тільки після затвердіння цементного рас твору. Після остаточного монтажу оформлюється акт готовності теплообмінника до пусконалагоджувальних робіт.

2. Спеціальна частина

.1 Тепловий розрахунок теплообмінника

.1.1 Вихідні данні

Приймаємо, що у міжтрубному просторі знаходиться азот, а у трубах насичений водяний пар.

Пар при тиску р=1,6МПа має температуру t=200,4C [4].

На рис. 2.1 Представлена температурна схема.

Рис. 2.1 - Температурна схема.

Середня різниця температур теплоносіїв:

,                                    (2.1)

К.

Так, як відбувається значне зниження температури азоту у процесі нагрівання, середню температуру розраховуємо за формулою:

,                                          (2.2)

К.

При температурі 371К азот має наступні характеристики:

Питома теплоємність: ,

Теплопровідність: ,

В’язкість: ,

Густина: .

.1.2 Попередній тепловий розрахунок

Приймаємо попередньо коефіцієнт тепловіддачі від пару, що конденсує , а втрати тиску в азоті допускають високі його швидкості у теплообміннику, згідно [3], приймаємо орієнтовне значення коефіцієнта теплопередачі .

Теплове навантаження апарату:

,                                 (2.3)

де С - питома теплоємність азоту, ;

 - витрати азоту, .

Вт=0,94МВт.

Площа поверхні теплопередачі дорівнює:

,                                    (2.4)

.

Попередньо вибираємо у відповідно з площею теплопередачі одноходовий теплообмінник з наступними параметрами: площа поверхні теплообміну , діаметр кожуха D=0,4м, довжина труб l=6м (діаметром 20х2)

.1.3 Тепловий розрахунок

Об’ємні витрати азоту визначаємо за формулою:

,                                           (2.5)

де  - густина азоту, .

.

Швидкість азоту у міжтрубному просторі дорівнює:

,                                       (2.6)

де  - площа прохідного перерізу міжтрубного простору, .

=0,025,

.

Величина критерій Рейнольдсу визначаємо за формулою:

,                             (2.7)

де  - в’язкість азоту, ;

 - зовнішній діаметр труби, м.

.

Критерій Прантля:

,                                        (2.8)

де  - теплопровідність азоту, .

.

Критерій Нусельта:

,                               (2.9)

де  - коефіцієнти, що залежать від розміщення труб, при розміщенні труб по вершинам трикутника с=0,21, n=0,65,

 - коефіцієнт кута атаки.

.

Коефіцієнт тепловіддачі по азоту визначаємо за формулою:

,                             (2.10)

.

Приймаємо для розрахунку коефіцієнта теплопередачі наступні данні: термічний опір:

з боку азоту:

.

з боку пара:

.

Термічний опір стінки визначаємо за формулою:

,                                           (2.11)

де  - товщина стінки труби, м;

 - теплопровідність вуглецевої сталі, .

.

При попередньо прийнятому коефіцієнт тепловіддачі від пару, що конденсує  загальний коефіцієнт теплопередачі дорівнює:

,                                   (2.12)

.

Уточнюємо дійсна поверхня теплообміну:

.

Остаточно приймаємо теплообмінник з розмірами F=41, l=4м.

.1.4 Вибір типа теплообмінника

Для вибору типу теплообмінника розрахуємо напруження, що виникають в його трубах та кожуху.

Середня температура стінки труби знаходимо за формулою:

,                                (2.13)

де  - середня температура стінки труби,

,

.

В апараті азот знаходиться у міжтрубному просторі та має температуру до 150, і тому апарат з ціллю безпеки повинен бути ізольований. Це зменшить теплові втрати.

Приймаємо температуру стінки кожуха

Різниця температур:

.

Приймаємо для виготовлення теплообмінника сталь 20 ГОСТ 1050-94, враховуючи, некорозійність теплоносіїв.

Знаючи теплопередачу поверхні тип теплообмінника (Н, К, П, У) визначається величинами напружень, що виникають в трубах та кожуху апарата.

Схема температурних деформацій трубок та кожуха приведені на рис. 2.2

Рис. 2.2 - Схема температурних деформацій трубок та кожуха

Так, як у нашому випадку температура труб вище, ніж кожуха, то трубки будуть стиснуті на величину , а кожух розтягнутий на величину  і тоді виконується рівність:

,                                     (2.14)

При цьому зусилля розтягування кожуха дорівнює зусиллю стискання трубок і кожне з цих зусиль дорівнює температурному зусиллю:

,                                (2.15)

Так, як матеріал кожуха та трубок однаковий то зусилля  визначаємо за формулою:

,                    (2.16)

де  - площа поперечного перерізу трубок, ;

 - площа поперечного перерізу кожуха, ;

 - модуль пружності матеріалу трубок, Па;

 - модуль пружності матеріалу кожуха, Па.

Визначимо площу поперечного перерізу трубок:

,                                (2.17)

де  - товщина стінки труби, м;

 - кількість трубок, шт.

Площа поперечного перерізу кожуха:

,                                     (2.18)

де  - внутрішній діаметр кожуха, м;

 - товщина стінки кожуха, м.

Згідно конструктивних міркувань приймаємо для виготовлення кожуха трубу 426х9.

Для сталі 20 (матеріал кожуха і трубок)

=МПа (при ) [5].

=МПа (при ) [5].

 - модуль пружності матеріалу кожуха, Па.

Тоді:

МПа.

Загальне зусилля від тиску в теплообміннику, що розтягує трубки та кожух:

,                                            (2.19)

,                              (2.20)

де  - тиск у кожуху теплообмінника, Па.

МН.

,                             (2.21)

де  - тиск у трубках теплообмінника, Па;

 - внутрішній діаметр трубок, м.

МН,

МН.

Зусилля від тиску в теплообміннику, що сприймають трубки дорівнює:

,                              (2.22)

МН.

Зусилля, що сприймає кожух дорівнює:

,                                   (2.23)

МН.

Напруження, що виникає в трубах теплообмінника, визначаємо за формулою:

,                                   (2.24)

де  - допустиме напруження для матеріалу трубок, МПа

МПа.

Напруження, що виникає в кожуху теплообмінника, визначаємо за формулою:

,                                  (2.25)

де  - допустиме напруження для матеріалу кожуха, МПа.

МПа.

Визначимо допустиме напруження:

,                                      (2.26)

де  - нормативне допустиме напруження при розрахунковій температурі, Па;

 - поправочний коефіцієнт, що враховує вид заготовки.

Для листового прокату =1 [5].

Для сталі 20 при  =142МПа.

МПа.

Так, як величина МПа <МПа, а також <МПа це дає можливість застосовувати теплообмінник з нерухомими трубними решітками (тип Н).

Однак виду близького розташування МПа та МПа та приймаємих припущень приймаємо до виготовлення теплообмінника з температурним компенсатором на кожуху (тип К).

.2 Розрахунок кожуха

.2.1 Вихідні данні

Кожух теплообмінника представляє собою циліндричну обичайку, що навантажена внутрішнім тиском.

Розрахункова схема кожуха приведена на рис. 2.3

Рис. 2.3 - Розрахункова схема навантаження кожуха

Вихідні данні:

Внутрішній діаметр кожуха D=0,408м,

Робочий тиск р=1,6МПа,

Температура середовища ,

Матеріал кожуха сталь 20 ГОСТ 1050-94.

Густина середовища, що знаходиться у міжзубному просторі (азот) складає 15,2

Для виготовлення кожуха використовується труба.

.2.2 Розрахунок геометричних розмірів кожуха

Розрахункова товщина стінки циліндричного кожуха, що працює під внутрішнім тиском визначаємо за формулою:

,                              (2.27)

де  - розрахунковий внутрішній тиск, Па;- внутрішній діаметр кожуха, м;

 - коефіцієнт міцності зварного шва;

 - допустиме напруження для робочого стану, Па;

 - пробний тиск при гідроіспитах, Па;

 - допустиме напруження при гідроіспиті, Па.

Розрахунковий тиск:

,                                     (2.28)

де  - гідростатичний тиск, Па.

Гідростатичний тиск визначаємо за формулою:

,                                 (2.29)

де  - прискорення вільного падіння, ;

 - густина середовища у кожуху, ;

 - висота рівня рідини, м.

В даному випадку ==0,4м - апарат горизонтальний.

Па.

Так, як гідростатичний тиск дуже малий, то ним можна нехтувати.

Тоді: МПа.

Розрахункова температура стінки кожуха:

,                                              (2.30)

де  - температура середовища, .

Так, як температура середовища , то .

Так, як кожух виконаний з труби, то коефіцієнт міцності зварного шва =1.

Визначимо допустиме напруження:

,                                      (2.31)

де  - нормативне допустиме напруження при розрахунковій температурі, Па;

 - поправочний коефіцієнт, що враховує вид заготовки.

Для листового прокату =1 [5].

Для сталі 20 при  =139МПа.

МПа.

Пробний тиск при гідроіспитах визначаємо за формулою:

,                                 (2.32)

де  - допустиме напруження для матеріалу при температурі 20.

,                                   (2.33)

МПа.

.

Приймаємо МПа.

Визначимо товщина стінки тонкостінної обичайки, що навантажена внутрішнім тиском:

,                             (2.34)

де С - сумарна прибавка на товщину, м

,                              (2.35)

де  - прибавка для компенсації корозії та ерозії, м;

 - прибавку на мінусовий допуск, м;

 - прибавка технологічна, м.

,                              (2.36)

де  - швидкість корозії матеріалу кожуха, ;

 - термін служби апарата, рік;

 - прибавка для компенсації ерозії, м.

=0 [6] при швидкостях середовища <20м/с.

Для сталі 20 швидкість корозії .

Термін служби апарата =10 років.

мм,

=0,1мм, =0,

мм.

Допустиме напруження при гідро іспитах визначаємо за формулою:

,                                      (2.37)

де  - мінімальне значення межі текучості при температурі 20.

=220МПа [5].

МПа.

.

Приймаємо мм.

мм.

З конструктивних міркувань приймаємо товщину стінки S=9мм та трубу діаметром 426мм.

Так, як

умова застосування формул виконується.

.3 Розрахунок днища

.3.1 Вихідні данні

Еліптичне днище працює під внутрішнім тиском.

Розрахункова схема днища приведена на рис. 2.4

Рис. 2.4 Розрахункова схема навантаження днища

Вихідні данні:

Внутрішній діаметр днища D=0,408м,

Робочий тиск р=1,6МПа,

Температура середовища ,

Густина середовища, що знаходиться у міжзубному просторі (азот) складає 15,2

.3.2 Розрахунок геометричних розмірів днища

Розрахункова товщина стінки циліндричного кожуха, що працює під внутрішнім тиском визначаємо за формулою:

,                                   (2.38)

Для листового прокату =1 [5].

Для сталі 20 при  =126МПа.

МПа.

Пробний тиск при гідроіспитах визначаємо за формулою:

,                                 (2.39)

МПа.

.

Приймаємо МПа.

Допустиме напруження при гідро іспитах визначаємо за формулою:

,                                      (2.40)

де  - мінімальне значення межі текучості при температурі 20.

=220МПа [5].

МПа

Визначимо сумарну прибавка на товщину за формулою:

,                              (2.41)

,,                             (2.42)

Для сталі 20 швидкість корозії .

Термін служби апарата =10 років.

мм,

=0,1мм, =0,5мм,

мм.

.

Приймаємо мм.

мм.

З конструктивних міркувань приймаємо товщину днища S=6мм.

Так, як

умова застосування формул виконується.

.4 Розрахунок фланцевого з’єднання

.4.1 Конструктивні розрахунки фланця

Товщина втулки (рис. 2.4):

,                                   (2.43)

<12<;

З конструктивних міркувань приймаємо =12.

Товщина втулки

,                                        (2.44)

=1,8 при D/=408/12=34,

мм.

З конструктивних міркувань приймаємо мм.

Рис. 2.4 - Фланець

Висота втулки:

,                                (2.45)

де  - нахил фланця.

мм.

З конструктивних міркувань приймаємо мм.

Еквівалентна товщина втулки фланця

,                            (2.46)

.

З конструктивних міркувань приймаємо 16мм.

Діаметр болтового кола:

,                            (2.47)

де  - нормативний зазор між гайкою і втулкою, мм;

 - діаметр болта, мм.

.

З конструктивних міркувань приймаємо 525мм.

Зовнішній діаметр фланця:

,                                    (2.48)

де а - конструктивна добавка для розташування гайок по діаметру, мм

525+50=575мм.

З конструктивних міркувань приймаємо 580мм.

Зовнішній діаметр прокладки:

,                                   (2.49)

де е - нормативний параметр, що залежить від типа прокладки, мм

525-50=475мм.

Середній діаметр прокладки:

,                                (2.50)

де:  - виконавча ширина прокладки, мм.

=475-35=440мм.

Кількість болтів:

,                                      (2.51)

де  - шаг розташування болтів, мм.

,                               (2.52)

мм.

З конструктивних міркувань приймаємо =100мм.

.

З конструктивних міркувань приймаємо .

Висота фланця:

,                             (2.53)

мм.

З конструктивних міркувань приймаємо 32мм.

Відстань між опорними поверхнями гайок для фланцевого з’єднання з ущільнюючою поверхнею:

,                                         (2.54)

де  - висота прокладки, мм.

мм.

.4.2 Розрахунок навантажень, що діють на фланець

Рівнодіюче навантаження, від дії внутрішнього тиску:

,                                    (2.55)

МН.

Реакція прокладки:

,                           (2.56)

де  - коефіцієнт жорсткості фланцевого з’єднання

 - ефективна ширина прокладки, мм.

,                                     (2.57)

,

МН.

Зусилля, що виникають від температурних деформацій:

,          (2.58)

де ,  - коефіцієнт лінійного розширення матеріалів фланця і болта, ;

 - температура неізольованих фланців, ;

 - температура болтів, ;

 - модуль пружності матеріалу болта, МПа;

, ,  - податливість болта, прокладки і фланців, .

Податливість болта визначаємо за формулою:

,                                         (2.59)

де  - розрахункова довжина болта, м.

,                               (2.60)

м,

.

Податливість прокладки визначаємо за формулою:

,                                   (2.61)

.

Податливість фланця визначаємо за формулою:

,                    (2.62)

,                             (2.63)

,                                   (2.64)

,

.

,                            (2.65)

,                                (2.66)

,

.

,                            (2.67)

,

МН.

Коефіцієнт жорсткості фланцевого з’єднання

,                 (2.68)

.

Навантаження на болт в умовах монтажу до подачі внутрішнього тиску:

,                          (2.69)

,

Приймаємо 0,175МН.

Навантаження на болт в робочих умовах:

;                        (2.70)

МН.

;                                    (2.71)

0,81МН.

Приведений згинаючий момент:

;     (2.72)

.

Приймаємо =0,06МНм.

.4.3 Перевірка міцності і герметичності з’єднання

Умова міцності болтів:

,                                (2.73)

=230МПа [5].

 умова міцності виконується.

Умова міцності прокладки із пароніту:

,                             (2.74)

=130МПа [5].

 умова міцності виконується.

Максимальне напруження фланця, що обмежується розміром :

,                                     (2.75)

=408мм. при D>20.

,          (2.76)

МН,

МПа.

Максимальне напруження фланця, що обмежується розміром :

,                                      (2.77)

=2,14 при ,

=1,25,

МПа.

Колове напруження у кільці фланця:

,                               (2.78)

МПа.

Тангенційне напруження від внутрішнього тиску:

,                                          (2.79)

МПа.

Меридіальне напруження від внутрішнього тиску:

,                                         (2.80)

МПа.

Умова міцності для перерізу фланця, що обмежується розміром :

,                   (2.81)

де  - допустиме напруження матеріалу фланця, МПа.

=228МПа [5].

 умова міцності виконується.

Умова міцності для перерізу фланця, що обмежується розміром :

,                (2.82)

де  - допустиме напруження матеріалу фланця, МПа

=320МПа [5].

.

умова міцності виконується.

Умова герметизації визначається кутом повороту фланця:

,                              (2.83)

де  - допустимий кут повороту привареного в стик фланця, рад.

=0,009рад [5].

.

умова міцності виконується.

Висновок

У загальній частині приведений опис устрою теплообмінника, та його основних деталей.

У спеціальній частині виконані розрахунки геометричних розмірів обичайки, днища. Для фланцеві з’єднання були виконані конструктивні розрахунки, та перевірка міцності і герметичності з’єднання.

Література

1. Лащинский А.А., Толщинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры., М, Машиностроение, 1971г-748с.

. Касаткин А.Г. Основные процессы аппараты химической технологии М.: Химия,1971г.-750с.

. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологи М.: Химия,1983г.-271с.

. Павлов К.Ф., РомашковП.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, Л.: Химия,1976г.-551с.

. Анурьев В.И. Справочник конструктора - машиностроителя:В 3х т. Т.1.-5е изд., перераб. и доп.-М.: Машиностроение, 1978,-728с.