Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Во всех отраслях пищевой промышленности большинство технологических процессов связано с использованием теплоты. Многие виды сырья, полуфабрикатов подвергаются тепловой обработке: нагреванию, выпариванию или охлаждению. Теплота применяется также в процессах стерилизации, пастеризации и др. Тепловая обработка продуктов проводится в теплообменных аппаратах.

Теплообменными аппаратами называют устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной рабочей среды, называемой горячим теплоносителем или теплопередатчиком, к другой, называемой холодным теплоносителем или теплоприемником, для осуществления различных тепловых процессов: нагревания, охлаждения, конденсации, выпаривания, ректификации и т.п.

Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

Классификация теплообменников возможна по различным признакам.

Все теплообменные аппараты по способу передачи теплоты разделяются на две основные группы: аппараты смешения и поверхностные. В аппаратах смешения процесс теплообмена осуществляется путем непосредственного контакта и смешения жидких и газообразных веществ (теплоносителей). В поверхностных аппаратах передача теплоты от одной рабочей среды к другой осуществляется с учетом твердой стенки поверхности теплообмена, выполненной из теплопроводного материала.

Теплообменные аппараты смешения конструктивно значительно проще поверхностных, кроме того, в них полнее используется энергия передаваемой теплоты. Поэтому рекомендуется применять эти аппараты во всех случаях, когда допустимо смешение теплоносителей. Однако такое смешение практически сильно ограничено условиями проведения технологических процессов, поэтому поверхностные аппараты шире применяются в пищевой промышленности.

Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, также могут быть разделены на две группы: регенеративные и рекуперативные.

В регенеративных теплообменниках одна и та же .теплообменная поверхность омывается попеременно горячим и холодным теплоносителями. При омывании поверхности горячими теплоносителями она нагревается за счет его теплоты, при омывании поверхности холодным теплоносителем она охлаждается, отдавая теплоту. Таким образом, теплообменная поверхность аккумулирует теплоту горячего теплоносителя, а затем отводит ее холодному теплоносителю.

По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

1) жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;

2) парожидкостные - при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

3) газожидкостные - при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха) и др. В качестве теплоносителей в теплообменных аппаратах могут быть водяной пар, горячая вода, топочные газы, масло, различные растворы солей, смеси жидкостей, жидкие металлы и пр. Наибольшее применение в качестве теплоносителей получили водяной пар, горячая вода и топочные газы.

Водяной пар дешев, легко транспортируется, его расход сравнительно невелик вследствие большого удельного теплосодержания. Высокий коэффициент теплоотдачи пара позволяет создавать аппараты с относительно небольшой площадью поверхности теплообмена; постоянная температура конденсации пара облегчает регулирование теплового процесса. Одним из недостатков пара как теплоносителя является зависимость его температуры от давления, вследствие чего по условиям прочности аппаратов он почти не применяется при температурах выше 200°С. В этих случаях используются топочные газы или электрический обогрев.

Горячая вода хорошо транспортируется, имеет высокий коэффициент теплопередачи и мало загрязняет поверхность теплообмена, но, как и у пара, температура ее в значительной степени зависит от давления. Кроме того, применение воды требует установки перекачивающих насосов.

Преимущество использования топочных газов заключается в том, что их температура не зависит от давления - газы имеют высокую температуру при атмосферном давлении. Однако топочные газы нельзя транспортировать на большие расстояния, они имеют низкий коэффициент теплопередачи, загрязняют поверхность теплообмена и вызывают ее повышенный износ.

В последнее время все большее применение в пищевой промышленности находит электрический обогрев. Он отличается от других способов обогрева большой равномерностью регулирования и возможностью получить высокие температуры (до 2000°С и выше) теплопередающих поверхностей при любых давлениях рабочей среды. Однако следует иметь в виду, что электрообогрев на основе теплового производства электроэнергии всегда будет иметь более низкий КПД, чем способы нагрева, основанные на сжигании топлива.



1. Выбор конструкционных материалов и допускаемых напряжений

Применение конструкционного материала определяется условиями эксплуатации аппарата в зависимости от вида продукта и теплоносителя, их температуры, давления, характера агрессивного воздействия на элементы аппарата, места его установки и многими другими факторами; Работоспособность теплообменного аппарата в условиях его производственной эксплуатации можно в основном оценить критериями прочности, жесткости, устойчивости, износостойкости и коррозионной стойкости. Кроме того, при выборе конструкционных материалов необходимо учитывать условия изготовления аппарата и его технико-экономические показатели. Аппараты пищевой промышленности относятся, как правило, к V категории, поэтому выбираем легированную коррозиестойкую сталь 08X1 8Н10Т.

Таблица 1.1 - Химический состав стали 08Х18Н10Т в процентном соотношении

С	Cr	Ni	Ti	Si	Mn	Fe
0.08	18	10	1	7-0,37	0,3-0,6	остальные

Допускаемое напряжение для стали 08Х18Н10Т при температуре стенки не выше 200°С принимаем равным [у] = 115 МПа.

Все остальные элементы аппарата изготовляем из углеродистой стали обыкновенного качества, при необходимости части, соприкасающиеся с продуктом, покрываем оловом.



2. Расчет на прочность цилиндрических обечаек корпуса и рубашки

2.1 Расчет на прочность цилиндрической обечайки аппарата, работающей под наружным избыточным давлением

Толщину цилиндрической стенки аппарата определяем по формуле:

Где ==1.01-0.2=0.81 МПа - наружное избыточное давление;

D_B = 900 - внутренний диаметр цилиндра;

=115 МПа - допускаемое напряжение на сжатие материала стенки цилиндра;

L - 1.5 м длина цилиндра (между действующими жесткими креплениями), м;

=50 - опытный коэффициент (для вертикального цилиндра со стыковым швом);

с = 0,002 м - прибавка к расчетной толщине стенки, учитывающая коррозию, допуски на овальность и пр.

Принимаем = 0,006м по ГОСТ 19903-74.

Этого расчета недостаточно, так как в аппаратах, подверженных наружному избыточному давлению, цилиндрический корпус может оказаться неустойчивым против вмятин и сплющивания.

Рассчитываем оболочку корпуса аппарата на устойчивость цилиндрической стенки против вмятин и сплющивания.

Определяем приближенно число волн, получаемых при потере устойчивости оболочки по формуле

L_KP = 3,3* = м

С точки зрения устойчивости цилиндры, у которых L > L_KP. как в данном случае (L=1.5 < L_KP = 12.9м), называются короткими.

Критическое давление для коротких цилиндров определяем по приближенной формуле:

;

Где ;

Е = 2,06 * 10⁵ МПа - модуль упругости материала при рабочей температуре 200° С (для сталей);

µ = 0,3 - коэффициент Пуассона материала корпуса (для сталей).

МПа;

Определяем запас устойчивости по формуле:

Определяем тип оболочки < 0,03D_B, т.е. 0,006 м < 0,03*0.9 = 0,027 м, следовательно, оболочка тонкостенная.

1_КР = 2,5*= 0.13 м < 1,3 м, следовательно, цилиндр длинный.

Проверяем выбранную толщину оболочки по моментной теории с учетом краевого эффекта в месте приварки днища.

Выбираем основную систему. Радиальными и угловыми перемещениями днища можно пренебречь, считая его абсолютно жестким. Нагружаем основную систему заданной нагрузкой (внешним давлением в рубашке и внутренним давлением в аппарате), а действие отброшенного днища заменяем распределенными по поперечному сечению оболочки поперечными силами Р₀ и изгибающими моментами М₀.

Рис.1. Схема к расчету цилиндрической оболочки а - основная система;

Составляем систему канонических уравнений метода сил:

Определяем значение одиночных угловых и линейных перемещений: линейное перемещение края оболочки (прогиб) от действия единичного изгибающего момента и линейное перемещение от действия единичной поперечной силы:

единичный изгибающий момент и единичная поперечная сила:

Подставляем в полученную систему уравнений значение единичных угловых и линейных перемещений от факторов Р_{) и M₀, а также значение перемещения края цилиндрической части корпуса от заданной нагрузки.

Из первого уравнения получаем Подставляем это выражение во второе уравнение системы, после соответствующих преобразований получаем: теплообменный пар цилиндрический

Определяем значение характеристики оболочки:

Определяем цилиндрическую жесткость оболочки:

Так как значения Р₀ и M₀ получились положительными, следовательно, выбранные их направления оказались правильными. Определяем напряжения на краю цилиндрического корпуса.

Точки внутренней поверхности:

Точки наружной поверхности:

По найденным значениям напряжений для края корпуса аппарата видно, что наибольшими напряжениями являются напряжения в продольном (осевом) направлении для точек внутренней поверхности корпуса. Так как , следовательно, краевой эффект надо учитывать. Наиболее опасными точками в данном случае являются точки внутренней поверхности края цилиндрического корпуса в месте приварки днища.

Условие прочности выполняется.

2.2 Расчет на изгиб цилиндрической обечайки рубашки теплообменного аппарата

Проверим выбранную толщину обечайки рубашки по моментной теории оболочек вращения с учетом краевого эффекта в месте соединения цилиндрической части с конической.

Определяем тип оболочки:

значит оболочка тонкостенная.

Составляем канонические уравнения метода сил:

подставляя в полученную систему уравнений значения угловых перемещений от факторов Р₀ и M₀ , а также от давления Р = 0,6 МПа . Из первого уравнения системы имеем Р₀ = 2*М₀*в.

Подставляя это выражение во второе уравнение системы, после соответствующих преобразований получим:

После подстановки в последнее выражение значений:

; ;

Для µ=0.3, тогда

Напряжения на краю цилиндрического корпуса: точки внутренней поверхности

Так как наибольшими напряжениями являются напряжения в продольном (осевом) направлении, для всех точек внутренней поверхности, то по теории наибольших касательных напряжений сразу видно, что условие прочности выполняется.

3. Расчет днищ аппарата

3.1 Расчет на прочность конического днища аппарата

Диаметр крепления днища у патрубка d₁ + С = 70 + 20 = 90 мм.

Угол при вершине конуса 2а =90°.

Допускаемое напряжение [у] =115МПа

По формулам безмоментной теории определяем толщину стенки корпуса теплообменника:

м

м

следовательно, принимаем минимально допустимую толщину стенки днища = 0,006 мм.

Определяем тип конической оболочки:

;

следовательно, оболочка тонкостенная.

Так как 0,301 >0,013, б = 50° < 60°, то оболочка непологая.

Выбираем расчетную систему. Нагружаем края оболочки единичными силовыми факторами: поперечными силами P₁ и P₀, изгибающими моментами М₀ и М₀, а так же равномерно распределенным наружным давлением Р.

Составляем канонические метода сил

Для решения этой системы определяем значения характеристики оболочки ви ее цилиндрической жесткости D:

Значения линейных и угловых перемещений:

Решая систему канонических уравнений, определим значения единичных факторов P₀ и M₀:

из первого уравнения

подставляем полученное значение М₀ во второе уравнение:

Определяем напряжения на внутренней и наружной поверхностях (для краев конической оболочки).

Внутренняя поверхность:

продольные напряжения:

MПа

Окружные напряжения

Наружная поверхность: продольные напряжения

Окружное напряжения

Касательные напряжения на краю оболочки

Условия прочности на краю оболочки будут следующими:

т.е. условие прочности выполняется.



4. Расчет укрепления отверстия аппарата и рубашки

Рассчитываем укрепление отверстия для входа пара.

Диаметр патрубка d₁= 70, мм;

материал - сталь 08Х18Н10Т;

допускаемое напряжение [у] = 115 МПа;

температура стенки t - 200°С;

наружный диаметр рубашки D = 1000мм;

давление в рубашке Р=1.01 МПа.

Действительный коэффициент прочности сосуда

Наибольший диаметр отверстия, при котором стенку сосуда можно не укреплять

где - расчетная толщина стенки:

- внутренний диаметр сосуда.

Тогда = 0.064 м = 64 мм

Следовательно, заданное отверстие диаметром d₁ = 60 мм надо укреплять. Для патрубка выбираем стальную бесшовную горячее катанную трубу из стали 20, для которой предел прочности равен 410 МПа, коэффициент запаса прочности равен 3,8.

Допускаемое напряжение равно

Расчетная толщина стенки патрубка

Принимаем с учетом прибавки на коррозию = 1 мм . В соответствии с сортаментом выбираем для патрубка трубу с наружным диаметром d_н = 62 мм толщиной стенки = 1 мм и внутренним диаметром d₁ = 60мм . Укрепление стенки у отверстия произведем кольцом снаружи сосуда. Толщину кольца примем равной = 5 мм. Высоту части патрубка, расположенную дальше внутренней образующей обечайки, принимаем равной Н₂ = 5 мм. Находим площадь укрепляющих элементов

Диаметр зоны укрепления D₃ = 2* (70 + 2 * 0,9) = 164 мм. Высота зоны укрепления Н₁ = 2,5 * 5 = 17.5мм. Площадь сечения металла, действительно участвующего в укреплении отверстия, будет равна

Диаметр кольца находим из равенства площадей

Принимаем = 75 мм.

Рассчитываем укрепление отверстия для выхода конденсата. Диаметр отверстия d₂ = 40мм, следовательно, укреплять его не следует, тат как наибольший диаметр отверстия, при котором стенку сосуда можно не укреплять d₀ = 57мм, тогда расчетная толщина стенки патрубка

Принимаем с учетом прибавки на коррозию толщину стенки = 2.5 мм. Выбираем по ГОСТ 8732-78 стальную бесшовную трубу с наружным диаметром d_H = 45мм, толщиной стенки = 2,5мм.

Рассчитываем укрепление отверстия для выхода продукта. Рассчитываем укрепление отверстия для выхода конденсата. Диаметр отверстия d₃ = 120 мм, толщина стенки конического днища = 6 мм.

Действительный коэффициент прочности сосуда

где = 0,0007м - прибавка на коррозию.

Тогда наибольший диаметр отверстия, при котором стенку сосуда можно не укреплять = 0.106 м = 106 мм, тогда расчетная толщина стенки патрубка

Принимаем с учетом прибавки на коррозию толщину стенки = 2.5мм. Выбираем по ГОСТ 8732-78 стальную бесшовную трубу с наружным диаметром d_H = 45мм, толщиной стенки = 2,5мм.

Рассчитываем укрепление отверстия для выхода продукта. Рассчитываем укрепление отверстия для выхода конденсата. Диаметр отверстия d₃ = 80мм, толщина стенки конического днища = 10 мм.

Действительный коэффициент прочности сосуда

где = 0,0007 - прибавка на коррозию.

Тогда наибольший диаметр отверстия, при котором стенку сосуда можно не укреплять

Следовательно, данное отверстие d₃ = 80мм укреплять не нужно.

Для патрубка выбираем стальную бесшовную трубу из стали 20, для которой предел прочности равен 410 МПа, а коэффициент запаса n_в = 3,8 .
Допускаемое напряжение равно

Расчетная толщина стенки патрубка

Принимаем с учетом прибавки на коррозию = 0,002м, толщину стенки - 6мм.

Выбираем по ГОСТ 8732-78 стальную бесшовную трубу с наружным диаметром d_H = 95мм, толщиной стенки = 6мм.



5. Расчет фланцевего соединения

Принимаем крышку аппарата литую, выполненную совместно с фланцем.

При этом полная сила Р, выталкивающая прокладку из фланца

где = 3мм. Тогда Р = 0,08-10⁶ * 3,14-1-0,002 = 501H . Выдавливанию препятствует сила трения

где D_H - наружный диаметр при ширине прокладки = 2мм , D_H = 700мм , тогда

f =0.1 - 0.15 - коэффициент трения при грубой обработке фланцев;

= 3,5МПа - нормальное удельное давление;

Таким образом, условие невыдавливания Т = 79000H >Р = 659,4H выполняется,

5.1 Расчет болтов фланцевых соединений

Усилие, действующее на один болт,

где К - коэффициент затяжки болта; для мягких прокладок: К = 1,8- 2.0,

Z - число болтов на фланце;

Q- усилие, действующее на фланец;

- число болтов на фланце;

D_Б = 1200мм - окружность расположения болтов;

S=(4,5 - 5)d_s - шаг установки болтов;

d_s - диаметр болта; предварительно принимаем d_s = 14мм

тогда S=63 - 70мм, принимаем S = 70мм, откуда

Принимаем Z = 54. Тогда

Материал болтов сталь 10. При значении = 300МПа [] = 46МПа,

Уравнение прочности болта

где - площадь поперечного сечения болта,

Находим из этого уравнения внутренний диаметр резьбы болта d_ВН(в мм)

По найденному внутреннему диаметру резьбы d_s =16, подбираем болт по Ml6 ГОСТ. Тогда

Принимаем Z = 43,

Толщину фланцев рассчитываем по эмпирической формуле. Толщина круглого приварного фланца

Где = 0,43 - коэффициент для фланцев, имеющих прокладку по всей торце вой поверхности;

r₀ - радиус окружности центров болтовых отверстии, м:

r - внутренний радиус корпуса, м;

d - диаметр болтового отверстия, м.

Тогда

Принимаем толщину фланца = 25мм .



Список использованной литературы

1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя в 3-х т. Т 1.: Машиностроение, 1980.- 728 с.

2. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора.- Л.: Машиностроение, 1983.- 464 с.

3. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы расчета и конструирования химической аппаратуры. - 1970. 752 с.

4. Лунин О.Г., Вельтищев В.Н. Теплообменные аппараты пищевых производств,- М.: Агропромиздат, 1987,- 239 с.

5. Лунин О.Г., Вельтищев В.Н., Березовский IO.M. и др. Курсовое и дипломное проектирование технологического оборудования пищевых производств. М.: Агропромиздат, 1990.- 269 с.

6. ЕСКД. Основные положения. Государственный комитет СССР по стандартам.- М.: 1988.- 239 е.

7. Соколов В.И. Основы расчета и конструирования деталей и узлов пищевого оборудования. М.: Машиностроение, 1970.- 443 с.

8. Соколов В.И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств. М.: Колос, 1992.- 400 с.

9. Харламов СВ. Практикум по курсу «Расчет и конструирование пищевых производств»,-- Л,: Машиностроение. 1992.- 225 с.

Размещено на Allbest.ru