Расчет элементов корпуса теплообменника (обечайка, крышки и днища корпуса)

4. РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ КОРПУСА

4.1. Обечайка корпуса

Обечайка корпуса теплообменника воспринимает нагрузки от разницы давлений в межтрубном пространстве и атмосферным давлением, а также термические усилия, возникающие из за разности температур корпуса и труб. При совместном действии этих усилий должно выполняться условие:

                        (4.1)

где:  Р - расчетное (рабочее) давление,  [Р] - допускаемое давление, N - осевое (растягивающее или сжимающее) усилие, [N] - допускаемое осевое усилие.

Для гладкой цилиндрической обечайки при давлении изнутри (давление в межтрубном пространстве теплообменника выше атмосферного) расчетная толщина стенки обечайки:

,                (4.2)

где: Р - избыточное давление внутри корпуса, D - внутренний диаметр обечайки, - допускаемое напряжение материала обечайки, - коэффициент прочности продольного сварного шва обечайки; можно принять: для двухстороннего сварного шва , для одностороннего сварного шва .

Действительная (принимаемая к исполнению) толщина обечайки:

s = s_р+c+c_o,                          (4.3)

где: с - поправка на коррозию, определяемая из условий коррозионной стойкости материала, коррозионной активности среды и срока службы аппарата; для пароводяных теплообменников из не легированных сталей можно принять с = 1.0 мм; с_о - поправка на округление (значение s_p+с округляют до ближайшего большего значения стандартной толщины листа материала).

Допускаемое давление при принятой толщине обечайки:

               (4.4)

Для гладкой цилиндрической обечайки при давлении снаружи (давление в межтрубном пространстве теплообменника ниже атмосферного) расчетная толщина стенки обечайки выбирается большей из двух значений: из условий прочности

,           (4.5)

и условий устойчивости

        ,        (4.6)

Коэффициент К₂ выбирается по номограмме, приведённой на Рис. 6,  в зависимости от       ,              (4.7)

где: Е - модуль упругости материала обечайки, n_у - коэффициент запаса устойчивости, который выбирают в пределах  (для рабочих условий n_у = 2.4); и от К₃:

,                          (4.8)

где L_р - расчётная длина обечайки, которая определяется следующим образом:

если обечайка оканчивается фланцами, то L_p = L , где L - расстояние между плоскостями фланцев (равна длине труб в кожухотрубном теплообменнике с неподвижными трубными решётками); если обечайка оканчивается приварной крышкой, то L_р = L + h₁ + h₂ , где L - длина от плоскости фланца до сварного шва, соединяющего обечайку с крышкой, h₁ - высота цилиндрической отбортовки крышки, h₂ - приведённая высота крышки, которая определяется для выпуклых днищ: , здесь Н - высота днища; для приварных конических днищ: , но не более полной высоты днища, здесь - угол наклона образующей конуса к его оси.

Допускаемое давление:

         (4.9)

где: [P]_п - допускаемое давление из условий прочности, определяемое по выражению (6.4), [Р]_Е - допускаемое давление из условий устойчивости:

     (4.10)

Значение В₁ принимают минимальным из двух значений:

В₁ = min { 1.0; }.           (4.11)

Для учета осевых усилий следует определить допускаемые осевые усилия для выбранной толщины стенки обечайки. Для осевых растягивающих усилий, возникающих когда температура труб выше температуры обечайки:

.                    (4.12)

Для осевых сжимающих усилий (температура обечайки выше температуры труб):

          (4.13)

где: [N]_п - допускаемое усилие из условий прочности, определяется по (6.12); [N]_Е - допускаемое усилие из условий устойчивости, выбирается минимальное из двух значений:

[N]_Е = min {[N]_Е1 ; [N]_Е2 },

здесь [N]_Е1 - допускаемое усилие из условий местной устойчивости:

[N]_Е1  ,   (4.14)

[N]_Е2 - допускаемое усилие из условий общей устойчивости:

[N]_Е2            (4.15)

здесь - гибкость обечайки: .

Далее проверяется условие (4.1), если оно не выполняется, то необходимо изменить толщину стенки обечайки s_p, пока соотношение (4.1) не будет выполняться.

4.2. Крышки и днища корпуса.

Крышки и днища крепятся к корпусам теплообменников сваркой или на фланцевом соединении. По исполнению крышки и днища бывают плоскими и выпуклыми (эллиптическими, сферическими, тороидальными, коническими и др.). Наиболее распространённые типы днищ и крышек приведены на Рис.

Плоское круглое днище.

Расчётная толщина круглых плоских днищ определяют как:

 ,       (4.16)

где: К - конструктивный коэффициент, зависящий от конструкции крепления  крышки к обечайке и соотношения толщин стенки обечайки и крышки s_p/s_1p; К_о - коэффициент ослабления днища отверстиями; D_р - расчётный диаметр, - коэффициент сварного шва.

Конструктивные коэффициенты для приварных днищ с различным способом крепления приведены на Рис. Для приварных днищ всех способов крепления расчётный диаметр равен внутреннему диаметру обечайки D_p = D. Если крышка крепится болтами, то при креплении без дополнительного момента (болты проходят через прокладку, см. Рис. 6. ... а), то расчётный диаметр равен диаметру болтовой окружности D_p = D_б, а К = 0.4, толщина крышки в месте крепления выбирается максимальной из двух значений:

 .              (4.17)

При креплении крышки болтами с дополнительным моментом (болты проходят за прокладкой, см. Рис. 6. ... б) расчётный диаметр принимается равным диаметру середины прокладки D_p = D_сп , который можно определить как  (здесь D_н -наружный диаметр обечайки). Конструктивный коэффициент:

 ,                         (4.18)

где:, R_п - реакция прокладки, Q_д - усилие от давления (см. раздел 10).

Коэффициент ослабления отверстиями, если в днище (крышке) одно отверстие:

,                                       (4.19)

здесь d - диаметр отверстия в крышке.

В случае наличия многих отверстий в крышке:

,                            (4.19)

здесь - сумма длин хорд отверстий в наиболее слабом месте.

Толщина крышки в районе прокладки выбирается максимальной из двух значений:

.          (4.20)

Толщина крышки в районе болтов выбирается аналогично максимальной из двух значений:

,              (4.21)

здесь D_нп - наружный диаметр прокладки.

Выпуклые крышки, днища.

В общем случае исполнительная толщина днища:

               (4.22)

 определяют по графикам, например, для эллипсоидных днищ , для полусферических  .

Затем проверяют на допускаемое давление. Если давление снаружи: ,              (4.23)

где:       ,

.