Тепловой и конструктивный расчеты

3.1.Расход греющего теплоносителя:

кг/час = 22,2 кг/с

или м³/час = 0,0236 м³/c

3.2 . Производительность подогревателя:

КВт = 5600^.10³ ккал/час

3.3.Расход воды, нагреваемой в межтрубном пространстве:

кг/час = 15,54 кг/с

или м³/час = 0,016 м³/с

3.4.Скорость теплоносителя в трубном пространстве:

Задаем в первом приближении w₁=1м/с.

3.5. Площадь проходного сечения трубок :

м²

3.6. Выбираем подогреватель по МВН-2050-62. Согласно ГОСТу он имеет: наружный диаметр корпуса 325 мм и внутренний 309 мм, число стальных трубок (размером 16*14 мм) n=151 шт., площадь проходного сечения трубок = 0,0204 м²,

Площадь проходного сечения межтрубного пространства = 0,0446 м²

3.7. Скорость воды в трубках и в межтрубном пространстве:

м/с

м/с

Так как скорость в межтрубном пространстве не соответствует принятым стандартам, то установим опоры-турбулизаторы, обеспечивая тем самым необходимую скорость ω_мт = 1м/с.

3.8. Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства:

м

3.9. Средняя температура воды в трубках и между трубками:

С

при этой температуре температурный множитель, необходимый для дальнейших расчетов (по таблице А_5Т = 3056)

С

(по таблице А_5МТ = 2490)

3.10. Режим течения воды в трубках и межтрубном пространстве:

При t = 120^o C _т = 0,252^.10^-6 м²/с – в трубках;

При t = 70^o C _мт = 0,415^.10^-6 м²/с – в межтрубном пространстве.

Re_т = 60238;

Re_мт = 50120.

Режимы течения турбулентные.

3.11. Коэффициенты теплоотдачи (для турбулентного режима течения воды):

8120 ккал/м^2.ч^.град

5402 ккал/м^2.ч^.град

3.12. Расчетный коэффициент теплопередачи:

Коэффициент теплопроводности стали 39 ккал/м^2.ч^.град

1889 ккал/м^2.ч^.град

Определяем по формуле для плоской стенки, так как ее толщина менее 2,5 мм.

3.13. Температурный напор:

^о С

3.14. Поверхность нагрева подогревателя:

м²

3.15. Длина хода по трубкам:

Средний диаметр трубок d = 0,5^.(0,016+0,014) = 0,015 м.

м.

3.16. Число секций (при длине одной секции l = 4,086 м):

Принимаем 2 секции

Уточненная поверхность нагрева подогревателя согласно технической характеристике выбранного аппарата составит:

м²

3.17. Действительная длина хода воды в трубках и межтрубном пространстве:

; (при подсчете L_МТ расстояние между патрубками входа и выхода сетевой воды, равное 3,5 мм , выбрано из конструктивных соображений).

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

4.1.Коэффициенты гидравлического трения:

Для трубок и межтрубного пространства определяем по формуле Альтшуля при

k = 0,3^.10^-3 мм (для бесшовных стальных труб изготовления высшего качества):

;

4.2.Коэффициенты местных сопротивлений:

Для потока воды в трубках, принимаем по таблице

Вход в трубки …………….. 1,5 ^. 2 = 3

Выход из трубок …………. 1,5 ^. 2 = 3

Поворот в колене ………... 0,5 ^. 1 = 0,5

Суммарный коэффициент местных сопротивлений для потока воды в межтрубном пространстве определяется из выражения:

Отношение сечений входного и выходного патрубка f_МТ/f_патр = 1.

4.3.Потери давления:

С учетом дополнительных потерь X_СТ от шероховатости (для загрязненных стальных труб по таблице принимаем X_СТ = 1,51):

= мм.вод.ст

Потери в межтрубном пространстве подсчитываются по аналогичной формуле, но лишь в том случае, когда сумма значений коэффициентов местных сопротивлений определена по указанной выше формуле, в противном случае расчет потерь значительно усложняется.

Итак,

= мм.вод.ст.

МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

5.1.Расчет корпуса аппарата:

Корпус изготовлен из стали типа Ст-3; коэффициент прочности сварных швов - ;

допускаемое напряжение для марки стали Ст-3 - [s] =142,7 МПа; труба, служащая для изготовления корпуса бесшовная горячекатаная по ГОСТ 8732-58.

5.1.1.Определение толщины стенки корпуса:

где P = 0,8 МПа – расчетное давление;

[s] = 134,3 МПа – допускаемое напряжение для марки стали Ст-3;

j_р = 0,9 – расчетныйкоэффициент прочности сварных швов;

С = 4 мм – прибавка к расчетной толщине стенки;

h = 1 – коэффициент, учитывающий класс аппарата;

5.1.2.Напряжение при гидравлическом испытании аппарата:

следовательно принимаем S_ф = 6мм.
тогда,

5.1.3.Максимально допустимое избыточное давление среды в аппарате:

;

5.2.Проверка на прочность латунных трубок:

Трубки изготовлены из латуни Л68 ГОСТ 494-52; d_нар=16мм; толщина s = 1мм;

допускаемое напряжение s_доп = 4,5 кг/мм²; на минусовой технологический допуск и коррозию добавить величину С = 0,5мм.

5.2.1.Определение необходимой толщины стенки трубок:

5.3.Расчет термических напряжений и относительных удлинений материалов трубок и корпуса:

Т.е. корпус аппарата термических напряжений не выдержит, поэтому необходим защита от относительных удлинений в виде температурной компенсации. Для этого установим линзовые компенсаторы.

5.4.Расчет трубных решеток:

Рассчитаем на прочность трубные доски, имеющие жесткую конструкцию, одинаковые по форме, закреплению и размерам.

где:

D = 309мм – диаметр трубной доски, на которой распространяется давление;

К = 0,162 – коэффициент;

P = 15кг/см² – перепад давлений по сторонам трубной доски;

n = 151 – число труб в трубной доске;

s_доп = 14кг/см² – допустимое напряжение для стали Ст3 при t = 20-200^о С

С = 2мм – величина, принимаемая на коррозию (принимаем по 1мм на каждую сторону);

j - коэффициент ослабления решетки отверстиями.

j = ; где b – расстояние между осями труб.

5.4.1.Проверка на надежность развальцовки труб в стальной трубной доске:

По конструктивным соображениям принимаем толщину трубной доски равной толщине приварного фланца по ГОСТ 1255-54, так как они выполняются вместе.

Определим, выполнено ли условие надежности вальцовочного соединения по сечению мостика между отверстиями. Площадь мостика должна быть ≥ минимально допустимой.

f_min = 4,8d_н = 4,8^.16 = 77мм²

f = S^.5 = 24,2^.5 = 121мм²

f_min ≤ f => условие надежности выполнено.

5.4.2.Проверка прочности конического перехода:

;

Переход имеет продольный сварной шов, выполненный сваркой под флюсом с одной стороны, поэтому .

Из конструктивных и технологических соображений принимаем S₁ = 8мм

5.5.Расчет фланцевых соединений.

5.5.1.Выбор типа фланца:

Выбираем тип фланца плоский приварной;

Толщина стенки S = 8мм;

Диаметр фланца D = D_вн = 325мм;

Толщина цилиндрической части фланца S₁ = S + C = 8 + 8 = 16мм;

Толщина тарелки фланца:

;

5.5.2.Выбор и расчет шпилек:

Выбираем шпильки, изготовленные из стали марки 20К. Рабочая температура шпильки – t_ш = 155^о С; допускаемое напряжение при рабочей температуре
σ_доп = 102,7 МПа.

Расчетное давление в аппарате – сумма избыточных давлений теплоносителей:

Номинальный диаметр шпилек: d_ош = 23мм; соответственно рекомендуемый тип шпилек М20 (d_о = 0,023м; l = 0,035м)

Значение шага шпилек l_ш выбирается, исходя из условия, что при величине расчетного давления (P < 2,5МПа), величина шага находится в пределах:
2,1d_о ≤ l_ш ≤ 5 d_о; следовательно:

l_ш = 5^.0,023 = 0,115м.

Расчетное количество шпилек:

; где:

D_б – диаметр болтовой окружности шпильки;

D_б = D_нп + d_о + 0,01 = 0,381 + 0,023 + 0,01 = 0,414м = 414мм;

D_нп – наружный диаметр прокладки;

D_нп = D + 2S + 2b_о + 2u = 325 + 2^.6 + 2^.12 + 2^.8 = 381мм;

u – расстояние от внутренней кромки фланца до внутренней кромки прокладки;

u = 2^.δ = 2^.4 = 8мм;

δ = 4мм – толщина прокладки;

S = 6мм – толщина стенки корпуса;

b_о = 12мм – ширина прокладки.

Конструктивно задано 12 шпилек, следовательно количество шпилек Z_p = 12 шт удовлетворяет расчетным условиям.

5.5.3.Проверка выполнения условия прочности для шпилек:

Минимальное усилие R на прокладку, необходимое для сохранения ее плотности при рабочих условиях:

; где:

D_рп = D_нп - b_о = 0,365 - 0,012 = 0,353мм – расчетный диаметр прокладки;

b = - эффективная ширина прокладки;

q = mxP = 1,50 ^. 1,375 ^. 2,2 = 4,54МПа – удельное давление на прокладку в рабочих условиях; (коэффициенты m и x выбираются по таблице).

Растягивающее усилие в шпильках от рабочего давления:

Расчетное усилие, воспринимаемое шпильками в рабочих условиях:

F_p = R + Q = 0,191 + 0,215 = 0,406МН

Напряжение в шпильках в рабочих условиях:

; где:

;

Следовательно рассчитанное количество шпилек удовлетворяет прочностным условиям.

5.5.4.Расчет изгибающего момента от усилий, действующих в рабочем состоянии:

По таблицам определяем параметры фланцев (в зависимости от размера шпилек):

d_о = 23мм; е = 35мм; а = 10мм; 2а₁ = 6мм.

Наружный диаметр фланца:

D_нф1 = D_б + е + 2а₁ = 414 + 35 + 6 = 455мм.
D_нф2 = D_б + е + 2а₁ = 350 + 35 + 6 = 390мм.

Рассчитаем плечи моментов сил, действующих на фланцы.

_•усилие от давления в корпусе:

_•усилие на прокладку:

_•усилие внутренний участок тарелки фланца:

Изгибающий момент от усилий:

=

Редуцированный диаметр отверстия под шпильки:

d_or = 0,5 ^. d_o = 0,5 ^. 0,023 = 0,0115м = 11,5мм

Момент сопротивления фланца:

Напряжение в теле фланца:

РАСЧЕТ ОПОР АППАРАТА

Так как аппарат горизонтальный, то его установку производим на две седловые опоры.

Вертикальная сила Q (реакция опоры):

- максимальный вес аппарата;

Горизонтальная сила P₁:

где k₁ – коэффициент, определяемый по аппроксимирующей зависимости;

;

где δ = 240^о – угол охвата корпуса аппарата опорой;

Горизонтальная сила трения P₂:

Площадь опорной плиты:

где σ_фунд = 10МПа – допускаемое напряжение сжатия для бетона марки 500;

Расчетная толщина опорной плиты:

где b = 0,082м – ширина поперечных ребер опоры;

σ_м = 148МПа – допускаемое напряжение материала одной плиты;

а = 0,140м – расстояние между поперечными ребрами опоры;

b/а = 0,082/0,140 = 0,59;

k₂ = 0,28 – коэффициент, определяемый в зависимости от соотношения b/а;

Фактическая толщина опорной плиты с учетом добавки:
S_пф = S_пр + C = 0,026 + 0,005 = 0,031м;

Расчетная толщина ребра из условия прочности на изгиб и растяжение:

Действие сжимающей нагрузки, приходящейся на единицу длины ребра:

где - общая длина всех ребер на опоре;

Расчетная длина ребер из условия устойчивости:

где σ_кр = min(σ_m/3; σ₁/5);

Условие прочности опор при действии изгибающей силы:

6.1. Расчет на устойчивость.

Критическая длина тонкостенной оболочки:

;

где D_c – средний диаметр оболочки (корпуса);

S – толщина стенки оболочки;

Т.к. L > L_кр, то

Критическое давление:

;

; соответственно (принимаем меньшее из двух значений 0,897 и 0,7) – принимаем η = 0,7.

Допустимое с точки зрения устойчивости наружное давление: