Прочностной расчёт конденсатора
Исходные данные для расчета:
▪ диаметр трубок dT = 38·3 мм;
число трубок i = 703 шт; длина трубок 3 м;
давление: в трубках РТ = 1,0 МПа,
в межтрубном пространстве РМ = 0,7 МПа;
температура: в трубках tT = 115 оС,
в межтрубном пространстве (кожухе) tK = 290 оС;
материалы: труб - сталь 0Х18Н10Т,
кожуха – сталь 0Х18Н10Т,
трубной решетки – сталь ОХ18Н10Т
1. Расчет внутреннего диаметра кожуха.
1.1. Выбираем способ размещения трубок в трубной решетке по вершинам правильных равносторонним треугольников (рис 1).
Шаг между трубками для труб диаметром 25 мм ориентировочно принимаем равным:
1,3 dн = 1,3·38= 49,4 мм (0,05 м)
Согласно [1, c.53] внутренний диаметр кожуха равен:
DВн = t·(b - 1) + dн + 2· (t - dн) ,
где DВн – внутренний диаметр кожуха, b – число трубок, определяемое из выражения:
→→
DВн = 0,05·(31 - 1) + 0,038 + 2· (0,03-0,038) = 1,562 м.
Принимаем диаметр кожуха DВн = 1,6 м.
Расчетная схема теплообменника приведена на рис.2.
2. Расчет толщины стенки корпуса проводим по формуле:
где S – исполнительная толщина обечайки; φ – коэффициент прочности сварных швов. Для автоматической сварки с двусторонним сплошным проваром φ =1; [σ] = [σ*]·η – допускаемое напряжение, берется из таблиц при соответствующей температуре; [σ*] – нормативное допускаемое напряжение, для стали 0Х18Н10Т при 290 оС [σ*] = 98 МН/м2; поправочный коэффициент η принимаем равным 1. [σ] = 98 МН/м2; С = С1 + С2 – сумма добавок к расчетной толщине стенки. Складывается из прибавки на коррозию рабочей среды С1 и дополнительной прибавки С2 для компенсации минусового допуска и округление размера до стандартного значения (прибавка технологическая).
C1 = П·Т1; П – скорость коррозии металла. Принимаем скорость коррозии 0,0001м/год, срок службы аппарата 10 лет, тогда имеем:
С1 = 0,0001·10 = 0,001 м; С2 = 0,001 м.
Принимаем толщину стенки теплообменника 10 мм или 0,01 м.
3. Расчет напряжений возникающих в стенках корпуса и трубок от разности температур и давлений в трубках и межтрубном пространстве.
3.1. Площадь поперечного сечения:
а) корпуса
Fк = π(Dв – Sк) · Sк = 3,14 ·(1,6 – 0,01) ·0,01 = 0,005 м2
б) трубок
Fт = π(dн – π) Sт ·i = 3,14 ·(0,058- 0,02)·0.002·703 = 0,157 м2.
3.2. Сила взаимодействия между трубками и корпусом:
,
где
- коэффициенты термического расширения
материала корпуса и трубок при расчетных температурах; 
-
модули упругости материала корпуса и трубок при расчетных температурах.
Определяются из справочных таблиц.
Корпус,
сталь 0Х18Н10Т при 290 оС: 
Трубки, сталь 0Х18Н10Т при 115 оС
3.3. Сила, растягивающая корпус и трубки от давления среды в трубках и межтрубном пространствах.
Р=0,785[(
= =0,785[(
3.4. Температура корпуса больше температуры трубок, поэтому суммарные напряжения в корпусе и трубках определяем по формулам:
4.Определяем необходимость постановки компенсатора.
Жесткое соединение трубок с корпусом допустимо, если напряжения в трубках и корпусе не превышают допустимые.
и 
и 
пределы текучести материала труб и
корпуса при рабочих температурах:
корпус - сталь 0Х18Н10Т при 290 оС , 
=200 МН/м2
трубы - сталь 0Х18Н10Т при 115оС 
= 240 МН/м2
- условие
выполняется
- условие не выполняется
Условие прочности для корпуса не выполняется. Напряжение в корпусе превышают допустимые. Требуется постановка компенсатора.
5. Подбор компенсаторов и определение из числа. Расчет компенсатора.
Для диаметра корпуса Dвн = 1,6 м принимаем диаметр линзы 1,77 м.
5.1. Расчетная толщина стенки линзы.
,
где
К = 
0,0326,
β = Dвн/Dл = 1,6/1,77 = 0,904 - параметр конденсатора; [σ]и = 98 МН/м2.
Принимаем
толщину стенки линзы 
0,005
м.
5.2. Реакция компенсатора.
Pк = 4,9
5.3. Распор в линзах от действия теплоносителя
Pp = 0,8K1Pm
= 0,8·0,086·
0,7·1,62 =0,123
МН
K1 = 
5.4. Допустимая деформация одной линзы:
,
где К2 определяется по формуле:
К2
= 
5.5. Относительная деформация корпуса и труб в результате теплового расширения.
3|17,5·10-6(290-20)-16,5·10-6(115-20)| = 0,0103 м
5.6 Деформация корпуса от действия реакции компенсатора
Деформация труб от действия реакции компенсатора
Деформация труб и корпуса от действия сил Р + Рр
Деформации компенсатора определим из выражения:
Δк = Δt + 
0,0103 – 3,8·10-5 - 1,17·10-5
- 3,95·10-5 –
- 2,4·10-5 = 0,01019 м.
Число линз компенсатора
Принимаем 2 предварительно напряженные линзы.
6. Расчет толщины трубной решетки.
Для теплообменника с компенсатором толщина трубной решётки рассчитывается по уравнению:
где
КК = 1+ 
,
QK – усилие в компенсаторе
QK = 
,
где n – число линз; α – коэффициент, зависящий от β; β= 0,904; α = 0,053
QK = 
= 0,023 МН
КК = 1+ 
ξр
– коэффициент прочности решетки. 
[σ] – допускаемое напряжение для стали 0Х18Н10Т при 290 оС, [σ] = 98 МН/м2.
7. Расчет крепления труб в трубной решетке.
Примем крепление труб в трубной решетке развальцовкой. Расчет крепления труб проводим по формуле:
где [q] – допускаемое
напряжение; lВ –
глубина вальцовки; 
σт – напряжения в
трубках, FT – площадь сечения труб.
Для гладко развальцованных труб [q] принимается, как наименьшее из двух значений:
[q] = 0,252[σ]р – 0,234[σ]т
[q] = 0.107[σ]т , но не менее 14,7 МПа
[σ]р и [σ]т – пределы текучести при 20 оС для материала решетки и труб.
[σ]р = 244 МН/м2 – сталь 0Х18Н10Т ; [σ]т = 244 МН/м2 - сталь 0Х18Н10Т
[q] = 0,252·244– 0,234·250 = 2,98 МПа
[q] = 0.107·244 = 24,75 МПа
Принимаем [q] = 14,7 МПа
; 
Условие выполняется.
Литература:
1.Шляхтов В.Г. Теплообменные аппараты химических производств. Расчет и конструирование (учеб. пособ.). Иваново 1977
2. Прочностные расчеты кожухотрубчатых теплообменников (методические указания) . Иваново 1979 (метод. 179)
3.Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. – Л.: Машиностроение, 1970.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.