Днище теплообменного аппарата
Одной из рациональных форм днищ в цилиндрических аппаратах (с точки зрения воспринятия давления) является эллиптическая. Этим объясняется широкое применение в химическом аппаратостроении штампованных (из листового проката) эллиптических днищ.
Стандартизованные и нормализованные штампованные эллиптические днища из различных металлических и неметаллических конструкционных материалов следует применять в соответствующих по материалу сварных и паяных цилиндрических аппаратах вертикального и горизонтального исполнения, работающих под внутренним и
наружным избыточным давлением свыше 0,07 Мн/м2. Их возможно применять и в цилиндрических горизонтальных аппаратах, работающих под наливом и атмосферным давлением. Предусмотренные стандартами и нормалями толщины стенок штампованных эллиптических днищ ограничивают область их применения избыточным давлением в аппарате не выше 10 Мн/м2. В отдельных обоснованных случаях допускается применение эллиптических отбортованных днищ не по стандартам и нормалям при наличии специальных штампов или изготовления днищ путем ручной выколотки.
Рекомендуемые соотношения размеров эллиптических днищ показаны на рис. 7.4.
Рис. 7.4 Рекомендуемые соотношения размеров эллиптических днищ: fte = 0,25 Dв, но не менее 0,2 Dв; для днищ из листового проката h > 2s, но не менее 25 мм
Днища, размер заготовок которых больше стандартных размеров листов, изготовляются составными из двух или трех листов (сваренных до штамповки) либо из штампованных секторов и центрального эллиптического диска с последующей сваркой их между собой.
На рис. 7.5 показана типовая конструкция такого днища. Число секторов и диаметр центрального диска выбираются, исходя из рационального раскроя листов, возможностей штамповки, минимальной длины сварных швов и конструктивных соображений.
Соединение составных частей днища между собой, так же как и присоединение днища к обечайке, осуществляется
Рис. 7.5. Конструкция эллиптического днища, сваренного из отдельных штампованных частей
преимущественно сваркой встык. Присоединение днища к обечайке в паяной и клееной аппаратуре осуществляется внахлестку.
Толщина стенок эллиптических днищ, работающих под внутренним или наружным избыточным давлением, определяется расчетом, исходя из прочности и устойчивости.
Отверстия в эллиптических днищах, подверженных внутреннему давлению, рекомендуется укреплять, а отверстия, подверженные наружному давлению — должны быть полностью укреплены.
Одно отверстие в днище предпочтительно делать в центре. При наличии нескольких отверстий расположение их должно отвечать
рис. 7.6, причем большее отверстие следует располагать ближе к центру. Если в днище необходимо иметь центрально расположенное отверстие, диаметр которого больше половины диаметра днища, то рекомендуется его осуществлять с помощью обратно выгнутого перехода (по рис. 7.7). Такие отверстия не укрепляются.
Рис. 7.6. Расположение и конструкции отверстий в эллиптических днищах
Рис. 7.7. Конструкция отверстия в эллиптических днищах при d >0,5Dв
7.3.1 Расчет эллиптических днищ, работающих под внутренним давлением
Определение номинальной расчетной толщины стенки эллиптического днища s', исходя из прочности, рекомендуется производить по формулам, приведенным в табл. 7.4 в зависимости от величины отношения заранее известных определяющих параметров и р сучетом коэффициента ослабления днища φ и от того, какой задан базовый диаметр Dв или Dн.
Таблица 7.4
Формулы для определения номинальной расчетной
толщины стенки s' металлических и неметаллических
эллиптических штампованных и литых днищ,
работающих под внутренним давлением
| При базовом Dв, м (см) | При базовом Dв, м (см) | |
| Номинальная расчетная толщина стенки s’, м (см) | ||
р – расчетное давление в аппарате в Мн/м2;
- допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки в Мн/м2;
- внутренний радиус кривизны в вершине днища в м (см);
- наружный радиус кривизны в вершине днища в м (см);
- коэффициент прочности сварных и паянных соединений
Формулы справедливы при и
Толщина стенки днища s с учетом прибавок определяется по
формуле (7.9).
Выбор прибавок производится аналогично таковому для цилиндрических обечаек. Для штампованных днищ прибавка на утонение толщины стенки на участке перехода от цилиндрической части к эллиптической не дается, если это утонение не превышает указанного допуска (10% от толщины стенки). В любом случае толщина стенки днища должна быть не менее толщины стенки цилиндрической обечайки, сопрягаемой с днищем, рассчитанной по формулам табл. 7.2.
При проверочных расчетах допускаемое избыточное давление в Мн/м2 для эллиптических днищ при соблюдении условия
(7.19)
определяется по формуле
(7.20)
Расчет трубных решеток
Одним из основных элементов теплообменных аппаратов являются трубные решетки, представляющие собой перегородки, в которых закрепляются трубы и которыми трубное пространство отделяется от межтрубного.
По форме трубные решетки бывают круглые, кольцевые и прямоугольные. Наибольшее распространение имеют круглые решетки, которые могут быть плоскими, сферическими и эллиптическими.
Рис. 7.8. Типовые конструкции трубных решеток.
Наибольшее распространение получили съемные трубные решетки представленные на рис. 7.8.
Трубные решетки изготовляются в основном из листового проката, а в ряде случаев — литыми, причем, как правило, материал решеток должен быть более прочным и жестким, чем материал труб.
Во всех кожухотрубчатых теплообменниках с жестким соединением трубных решеток с обечайкой корпуса, работающих под избыточным давлением в трубном или межтрубном пространствах, в месте соединения решетки с обечайкой действуют краевые моменты, вызывающие в нем соответствующие дополнительные напряжения.
Эти напряжения в обечайке по мере удаления от места соединения с решеткой быстро уменьшаются.
С целью снижения концентрации указанных напряжений рекомендуется обечайку в месте присоединения ее к решетке на длине не менее 10s (но не менее 100 мм) выполнять утолщенной в 1,2—1,4 раза. Кроме того, место соединения утолщенной обечайки с решеткой целесообразно выполнять с галтелью радиусом, равным толщине
присоединяемой стенки.
Для аппаратов из хрупких материалов или материалов, снижающих свою пластичность в рабочих условиях, приведенные рекомендации являются обязательными при конструировании.
Размещение труб в трубных решетках (рис. 7.9) производится по вершинам равносторонних треугольников, вершинам квадратов и концентрическим окружностям. В ряде случаев встречается необходимость комбинированного размещения. Наиболее рациональным является размещение по вершинам равносторонних треугольников, при котором при одном и том же шаге между трубами на решетке помещается максимальное количество труб. Размещение по вершинам квадратов целесообразно производить при необходимости чистки межтрубного пространства.
Рис. 7.9. Размещение труб в трубных решетках: I— по вершинам равносторонних треугольников;
II — по вершинам квадратов; III— по концентрическим окружностям
В табл. 15 (см. приложение) указано количество труб в круглых плоских трубных решетках при размещении их по вершинам равносторонних треугольников и концентрическим окружностям. В последнем случае количество труб на каждой из концентрических окружностей принимается по таблице для соответствующего количества труб на диаметре этих окружностей.
Таблица 7.5
Величина минимального шага между трубами t
в трубных решетках
Для стальных сварных кожухотрубчатых теплообменников диаметром до 1400 мм с U-образными трубами наружным диаметром 25 и 20 мм размещение труб в трубных решетках (по вершинам квадратов и равносторонних треугольников) установлено ГОСТом 13203—67. Шаг между трубами в трубных решетках зависит от диаметра труб dн
и способа их закрепления.
Минимальную величину шага между трубами t рекомендуется принимать по табл. 7.5. При этом в зависимости от способа закрепления труб значение величины простенка между трубами должно быть: при развальцовке ; при пайке ; при приварке — для
s 2 мм , для s>2 мм ,где s — толщина стенки трубы.
Расчетная температура трубных решеток определяется теплотехническим расчетом для наиболее неблагоприятного случая, возможного при эксплуатации.
7.4.1 Плоские круглые трубные решетки
Типовые конструкции круглых плоских трубных решеток, применяются в конструктивно отличающихся друг от друга различных кожухотрубчатых аппаратах. Основные конструктивные схемы
таких аппаратов показаны на рис. 7.10.
Выбор конструктивной схемы аппарата обусловливается химико-технологическими и теплотехническими соображениями.
Определение толщины трубных решеток производится в зависимости от конструктивной схемы теплообменного аппарата и конструкции решетки для наиболее характерных мест ее; снаружи и посередине.
Рис. 7.10. Основные конструктивные схемы цилиндрических кожухотрубчатых теплообменников с плоскими трубными решетками: I — прямотрубный жесткой конструкции и нежесткой (с компенсатором на корпусе); 1 — без перегородок; 2 — с перегородками); II — с плавающей головкой; III — с U-образными трубами; IV — с витыми трубами и сердечником, нежестко соединенным с трубными решетками
7.4.2 Расчет трубных решеток в аппаратах по конструктивной схемеI
В этом случае применяются конструкции решеток, представленных на рис. 7.8.
Аппараты по конструктивной схеме I могут быть жесткой и нежесткой конструкций. Первая характеризуется жестким соединением обечайки и труб теплообменника с трубной решеткой, а вторая, благодаря наличию компенсатора (обычно на обечайке), допускает некоторое перемещение жестко соединенной с трубами трубной решетки относительно обечайки.
По конструктивной схеме I могут быть применены конструкции решеток типов V, VI, VII, VIII, IX и X (рис. 7.8).
Решетки в аппаратах по конструктивной схеме I нежесткой конструкции рекомендуется рассчитывать следующим образом.
Упрощенно считается, что указанные решетки подперты трубами, работающими в аппаратах по схеме I—на растяжение от давлений в трубном и межтрубном пространствах рт и рм.
В аппаратах по конструктивной схеме I, считая решетку упругой, средняя часть труб испытывает осевое сжатие, а наружная — растяжение.
Напряжение в трубах на растяжение обычно не проверяют вследствие незначительной их величины. Что касается осевого сжатия, то оно может быть, значительным и поэтому подлежит проверке.
Условие устойчивости труб при осевом сжатии в таких аппаратах, исходя из усредненной нагрузки на них от давления в трубном пространстве рт, определяется по формуле
(7.21)
где D — расчетный диаметр решетки в м (см);
— наружный и внутренний диаметры труб в м (см);
— расчетные давления в трубном и пространстве в Mн/м2;
— допускаемое напряжение на сжатие для материала
труб в Мн/м2;
— коэффициент уменьшения допускаемого напряжения при осевом сжатии. Определяется по графику рис. 7.11 в зависимости от гибкости трубы .
Здесь L — расстояние между трубными решетками, а при
наличии в трубном пучке поперечных перегородок — расстояние между последнимив м (см);
м (см) — радиус инерции поперечного сечения трубы.
Номинальную расчетную высоту трубных решеток h’ в м (см) при соблюдении условия(7.21) следует определять по формуле
(7.22)
где ρ — большее из расчетных давлений в Мн/м2;
l — максимальное среднее арифметическое сторон прямоугольника в решетке, образованного центрами четырех смежных труб или центрами двух смежных труб в крайнем ряду и контуром решетки по расчетному диаметру ее D (см. жирно очерченные прямоугольники на рис. 7.9) в м (см).
Минимальные значения в части решетки, где расположены трубы, зависят от размещения их. При размещении труб: по типу I ; по типу II ; по типу III .
Номинальную расчетную высоту решетки снаружи h1’ для типов V, VI, VII и X следует определять по формуле:
(7.23)
Номинальную расчетную высоту решетки посередине h’ для типов V, VI, VII и X следует определять по формуле:
(7.24)
а типа VIII — по формуле:
(7.25)
Значения величин К, D и ρ в формулах (7.23) - (7.25) для каждого из типов решеток приведены в табл. 7.6;
— коэффициент ослабления решетки отверстиями, определяется по формуле:
(7.26)
где - сумма диаметров отверстий в решетке на диаметре ;
- средний диаметр уплотнения м(см).
— допускаемое напряжение на изгиб для материала решетки в Мн/м2.
Таблица 7.6
Значение величин в формулах (7.23) и (7.24) для различных типов трубных решеток
| Тип решетки | В формуле (7.23) | В формуле (7.24) | ||||
| K | D | p | K | D | p | |
| V и VI | 0,28 | Dн | К2 по рис. 7.12 | Dп | ||
| 0,6 | Dн | |||||
| VII | 0,36 | Dп | Большее или | 0,47 | Dп | Большее или |
| VIII | - | - | - | К2 по рис. 7.12 | Dп | |
| 0,47 | Dв | |||||
| IX | 0,36 | Dп1 | К2 по рис. 7.12 | Dп | ||
| 0,45 | Dп1 | |||||
| X | 0,28 | Dв | К2 по рис. 7.12 | Dп | ||
| 0,47 | Dв |
Рис. 7.11. Значения коэффициента К1 в Рис. 7.12. Значение коэффициента К в
формуле (7.25) таблице 7.6.
Расчет средней части решеток типов V, VI, VIII, IX и X по формуле (7.24) производится для двух значений(указанных в табл. 7.6) К, D и ρ (верхнего и нижнего).За расчетное принимается большая величина.
В тех случаях, когда условие (7.21) не выполнено, номинальную расчетную высоту решетки посередине h’ в аппаратах по схеме I нежесткой конструкции рекомендуется определять так же, как в аппаратах по схемам II (решетка А).
При этом в формуле (7.24) вместо рт подставляется фиктивное давление ртф в Мн/м2:
(7.27)
7.4.3 Расчет закрепления труб в трубных решетках
Расчетная осевая сила в Мн ,действующая в месте закрепления трубы в решетке, зависит от конструктивной схемы теплообменника и принимается равной для аппаратов по схеме I (нежесткой конструкции):
(7.28)
где D — расчетный диаметр решетки в м (см);
— наружный и внутренний диаметры трубы в м (см);
— количество труб;
р— большее из. или в Мн/м2.
для аппаратов по схеме I (жесткой конструкции):
(7.29)
где — осевое напряжение в трубах, берется: при температуре корпуса большей, чем температура труб — по (7.30), при температуре корпуса меньшей, чем температура труб — большее значение из (7.31) и (7.32), в Мн/м2.
(7.30)
(7.31)
(7.32)
где - сила взаимодействия между жестко закрепленными частями аппарата за счет температурных напряжений в Мн;
, - площади поперечного сечения корпуса и труб в м2(см2);
, - модули упругости для материалов корпуса и труб при температурах соответственно и Мн/м2;
и - средние расчетные температуры корпуса и труб, исходя из максимальной разности температур, возможной в процессе эксплуатации, пуска и остановки аппарата, в 0С.
Сила взаимодействия между жестко закрепленными частями аппарата (например, между корпусом и трубами) за счет температурных напряжений определяется по формуле:
(7.33)
где , - коэффициенты линейного расширения для материалов корпуса и труб при температурах и в 0С.
Закрепление труб в решетке производится: стальных — развальцовкой, сваркой; из цветных металлов и сплавов — развальцовкой, сваркой, на мягком припое; из неметаллических материалов — па клею.
Наиболее надежным закреплением является сварка с последующей развальцовкой.
Расчетная высота трубной решетки h’ в м (см), исходя из закрепления в ней труб развальцовкой, определяется по формуле:
(7.34)
где q — допускаемая нагрузка, приходящаяся на единицу условной поверхности развальцовки, в Мн/м2.
Кроме того, для стали:
, мм (7.35)
но не менее 10 мм
Для меди и латуни:
, мм (7.36)
но не менее 12 мм.
Допускаемая нагрузка, приходящаяся на единицу условной поверхности, q— в формуле (7.34) зависит от типа развальцовки и материала. В табл. 7.7 приведены значения q.
Таблица 7.7
Значения допускаемой нагрузки, приходящейся на единицу условной поверхности, q при развальцовке труб в трубных решетках
| Материал | Развальцовка | ||||
| I (гладкая) | II (в канавках) | III (с отбортовкой трубы) | |||
| q, Мн/м2 | |||||
| Сталь | |||||
| Цветные металлы и сплавы | 15 | 30 | 40 | ||
Примечание. Геометрические размеры отверстий под развальцовку труб в трубных решетках: , но не 5 и не более 10 мм; . При , ; при до 100 мм , . Развальцовка производится на глубину не менее .
- предел текучести цветного металла или сплава в Мн/м2.
При закреплении труб в решетке сваркой, пайкой или на клею расчетная высота сварного или глубина паяного, или клееного швов в м (см) определяется по формуле:
(7.37)
где — допускаемое, напряжение на срез для шва в Мн/м2.
Высота трубных решеток при закреплении труб на одной сварке определяется только условиями прочности решетки. Высота трубных решеток h в м (см) призакреплении труб пайкой или клейкой определяется условиями прочности решетки и исходя из условия прочности шва и конструктивных соображений должна быть не менее
(7.38)
Расчет опор аппаратов
Установка химических аппаратов на фундаменты или на специальные несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор.
На рис. 7.13 показаны основные типовые конструкции сварных стальных опор для установки вертикальных аппаратов. Опоры типов VI—IX размещаются с боков аппарата, также жестко соединены с ним и предназначены для цилиндрических и коробчатых аппаратов.
Опоры типов VI и VII представляют собой цельные опорные конструкции, а типов VIII и IX —отдельные опорные устройства (лапы, стойки), количество которых на аппарате должно быть не менее трех. В отдельных случаях небольшие аппараты можно устанавливать на двух лапах типов VIII и IX. В литых аппаратах опоры большей частью выполняются за одно целое с корпусом и днищем. Конструкция опор в этом случае может быть аналогичной опорам типов IV—IX.
Выбор типа опоры зависит от ряда условий: места установки аппарата (в помещении или на открытой площадке, соотношения высоты к диаметру аппарата, массы его и т. д.)
Опоры типов VI—IX применяются при подвеске аппаратов между перекрытиями или при установке их на специальные опорные конструкции.
В табл. 16, 17 приведены основные данные о нормализованных опорах для вертикальных аппаратов, которые и следует применять при конструировании на требуемую нагрузку.
Расчетная нагрузка, воспринимаемая опорой аппарата, определяется по максимальной силе тяжести его в условиях эксплуатации или гидравлического испытания (при заполнении аппарата водой) с учетом возможных дополнительных внешних нагрузок от силы тяжести трубопроводов, арматуры и т. д. При определении расчетной нагрузки на опоры аппаратов.
Рис. 7.13 Основные типовые конструкции опор для вертикальных аппаратов.
Для вертикальных аппаратов наиболее характерными являются типы VII—IX (см. рис. 7.13). В таких опорах расчетом определяются: размеры ребер, сварные или паяные швы и местные напряжения в цилиндрических стенках аппарата в местах присоединения к ним опор.
Отношение вылета к высоте ребра рекомендуется принимать равным 0,5.
Расчетная толщина ребра в м (см) определяется по формуле (7.39):
(7.39)
где G— нагрузка на одну опору (лапу) в Мн ;
к— коэффициент, зависящий от соотношения ;
z— количество ребер в опоре (лапе) принимается из конструктивных соображений;
l— вылет опоры в м (см) принимается из конструктивных соображений.
Значение коэффициента k в формуле (7.39) рекомендуется предварительно принять k = 0,6. Если при этом s' получится не менее то расчетная величина s' является окончательной. В противном случае значение коэффициента k необходимо уменьшить с пересчетом толщины s' и последующей проверкой по графику на рис. 7.14.
Рис. 7.14. График для определения коэффициента К в уравнении 7.39
Расчетная толщина ребра s' округляется до ближайшего большего
размера s по сортаменту. Толщина опорной части принимается не
менее s.
В случае приварки лапы к корпусу аппарата прочность сварных швов должна отвечать условию:
(7.40)
где — катет сварного углового шва в м (см);
— общая длина сварных швов в м (см).
В местах присоединения опор к цилиндрической стенке аппарата в последней возникают местные напряжения (сверху — сжимающие, снизу — растягивающие), величина которых, особенно в тонких стенках, может достигать значительной величины. Определение этих напряжений при отношении длины цилиндрического корпуса к его диаметру >2 производится следующим образом.
Если присоединяемая к цилиндрическому корпусу лапа (см. рис. 7.13, тип VIII) имеет форму квадрата, т. е. , то отнесенные к единице длины максимальный меридиональный момент Мм и максимальный кольцевой момент Мк, действующие на стенку корпуса сверху и снизу лапы, определяются по графикам на рис. 7.15 и 7.16. Момент Мм определяется в зависимости от параметров , и , а момент Мк — в зависимости от параметров , и , где Ми – приложенный к лапе изгибающий момент, равный нагрузке на лапу , умноженный на плечо l приложения этой нагрузки, в Мн*м ; D — диаметр (внутренний или наружный) корпуса аппарата в м (см); s — толщина стенки корпуса в м (см); Ск — прибавка на коррозию в м(см).
Рис. 7.15. Графики для определения отнесенного Рис. 7.16. Графики для определения отне-
к единице длины меридионального момента Μ , сенного к единице длины кольцевого
действующего на стенку цилиндрического момента Мк, действующего на стенку
корпуса аппарата в месте присоединения цилиндрического корпуса в месте присое-
к нему лапы квадратной формы динения к нему лапы квадратной формы
Отнесенные к единице длины меридиональная Рм и кольцевая Рк силы, действующие на стенку корпуса (при квадратной форме лапы), определяются по графикам на рис. 7.17 и 7.18 в зависимости от параметров , и - при определении Рм — и от параметров , и - при определении Рк.
Рис. 7.17. Графики для определения Рис. 7.18. Графики для определения
отнесенной к единице длины мери- отнесенной к единице длины коль-
диональной силы Рм, действующей цевой силы Рк, действующей на
на стенку цилиндрического корпуса стенку цилиндрического корпуса
в месте присоединения к нему лапы в месте присоединения к нему лапы
квадратной формы квадратной формы
Если форма лапы не квадратная, а прямоугольная, то определение моментов Мм и Мс производится по тем же графикам (рис. 7.15 и 7.16), но для параметра β, величина которого определяется по формуле:
(7.41)
где К — коэффициент, зависящий от и определяемый по графикам на рис. 7.19.
Рис. 7.19. Графики для определения коэффициента К в формуле 7.23;
- Км; - - - - - - - - - - Кк
Силы Рм и Рк при прямоугольной форме лапы определяются по тем же графикам, что и при квадратной (рис. 7.17 и 7.18), но для параметра β, величина которого определяется по формуле:
(7.42)
где значения величин такие же, что и в (7.41).
За расчетные значения сил и в этом случае принимаются значения, полученные по графикам на рис. 7.17 и 7.17, но с коэффициентом К, определяемым по графикам на рис. 7.20.
Суммарные напряжения сжатия в Мн/м2 в корпусе аппарата в месте присоединения лапы(сверху) определяется по формулам:
в меридиональном направлении:
(7.43)
в кольцевом направлении: