Расчет теплообменного аппарата на прочность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет теплообменного аппарата на прочность

Исходные данные для расчета

Рабочие условия:

- давление в трубном пространстве, МПа - 0,8

- давление в межтрубном пространстве, МПа - 0,8

- температура в трубном пространстве, °С - 140-120

- температура в межтрубном пространстве, °С - 60-90

- расход сырья, кг/ч - 70000

Габаритные размеры:

- поверхность теплообмена, м² - рассчитать

- длина трубок (предварительная), мм - 6000

Сырье:

- межтрубное пространство - вода

- в трубках - деасфальтизат

Выбор типа теплообменного аппарата

При площади поверхности равной 32 м² и диаметре труб 20 мм могут быть применены теплообменные аппараты типа:

- по ГОСТу F=34 м²

а) ТНГ, ТНВ, ТКГ, ТКВ: D_вн = 400 мм, длина трубок = 3 м при Р_y = 1,6; 2,5 МПа и числе ходов по трубам =1;

б) ТНГ, ТНВ: D_вн =400 мм, длина трубок = 3 м при Р_y = 4 МПа и числе ходов по трубам =1;

- по ГОСТу F=32 м²

а) ТНГ, ТНВ, ТКГ, ТКВ: D_вн =600 мм, длина трубок = 2 м при Р_y = 1,6 МПа и числе ходов по трубам =4;

б) ТНГ, ТНВ: D_вн =600 мм, длина трубок = 2 м при Р_y = 2,5; 4 МПа и числе ходов по трубам =4;

- по ГОСТу F=43 м²

а) ТУ: D_вн =500 мм, длина трубок = 3 м при Р_y = 1,6; 2,5; 4; 6,3 МПа и расположении трубок по вершинам квадратов;

- по ГОСТу F=38 м²

а) ТП: D_вн =500 мм, длина трубок = 3 м при Р_y = 1,6; 2,5; 4; 6,3; 8 МПа и расположении трубок по вершинам квадратов, число ходов по трубам = 2.

Определим среднюю температуру материала труб и кожуха по формуле

?t = 0,5[ (t_н1 +t_к1 )- (t_н2 +t_к2 )];

Подставим числовые значения

?t = 0,5[(140+120)- (60+90)]=55°C.

Проверим возможность применения теплообменного аппарата типа ТН по ?t=55°C (не принимая во внимание материал) по таблице при D_вн =400 мм. теплообменный аппарат типа ТН не может быть применен, поэтому в дальнейшем его не рассматриваем.

Проверим возможность применения теплообменного аппарата типа ТК. Он может применяться, если для труб длиной 3 м разность в удлинении труб и кожуха до 5 мм включительно. При среднетемпературном (С) пределе (от -20 до 200 °C) для диаметра 400 мм при длине труб 3 м может быть применен материал М1, при данном исполнении кожух и трубки должны быть выполнены из стали 20.

Для стали 20 коэффициент линейного расширения одинаков, т.к. материал кожуха и трубок одинаков и равен б_к = б_т = 12,9·10^-6 1/°C

Разность в линейном температурном расширении труб и кожуха определяется по формуле

?_к =[б_к (t_к -t₀ )- б_т (t_т -t₀ )]l

где t_к, t_тр - максимальная температура для кожуха и труб соответственно;

t₀ =20°C.

Подставим числовые значения

?_к =[(90-20)- (140 -20)] · 12,9·10^-6 · 3 = |-0,0055| м > |0,005|м,

Условие не выполняется. Следовательно, теплообменный аппарат типа ТК не может быть применен.

Тогда применим теплообменный аппарат типа ТУ. При среднетемпературном (С) пределе (от -20 до 300 °C) для диаметра D_вн =500 мм при длине труб 3 м и при Р_y = 1,6 МПа может быть выбран материал М1, при данном исполнении кожух и трубки должны быть выполнены из стали 20. Для стали 20 коэффициент линейного расширения одинаков, т.к. материал кожуха и трубок одинаков и равен б_к = б_т = 12,9·10^-6 1/°C.

Основные параметры выбранного теплообменника:

- наружный диаметр кожуха D_H = 530 мм;

- внутренний диаметр кожуха D_В = 500 мм;

- условное давление в кожухе Р_y = 1,6 МПа;

- длина труб l=3000 мм;

- общая длина аппарата L=4070 мм;

- площадь поверхности теплообмена F=32 м² при расположении трубок по вершинам квадратов;

- Н = 954 мм;

- число перегородок 10;

- размещение перегородок l₃ = 250 мм;

- l₀ = 1500 мм;

- условный диаметр штуцеров D_y =150 мм;

- А=550 мм;

- А₁ = 2500мм.

Размеры трубных пучков для выбранного теплообменника:

- D₁ =563 мм;

- D₂ =497 мм;

- D₄ = 495 мм;

- l_труб = 3000 мм;

- l₃ =250 мм;

- l₄ =2250 мм;

- ~l₅ =245 мм;

- ~l₆ =370 мм;

- S = 60 мм;

- S₁ =6 мм;

- S₂ =8 мм.

Условное обозначение теплообменного аппарата: теплообменник 500 ТУ - 16 - М1 - 0/3 - К гр Б ГОСТ 14245-79.

Теплообменник типа У, с кожухом диаметром 500 мм на условное давление 1,6 кгс/см² , исполнение по материалу М1, обыкновенное исполнение по температурному пределу с трубами длиной 3 м, расположенными по вершинам квадрата, для нагрева и охлаждения взрывоопасных сред 1 и 2 классов вредных веществ по ГОСТ 12.1.007-76

Расчет кожухотрубчатого теплообменного аппарата с У-образными трубками

теплообменный кожух труба

Рисунок 1. - Эскиз теплообменного аппарата с U-образными трубками. 1 - распределительная камера; 2 - кожух; 3 - U-образные трубы; 4 - опора; 5 - трубная решетка; 6 - перегородка.

Расчет решеток и усилий в трубах следует вести на большее из давлении Р_к в межтрубном или Р_т в трубном пространствах. Поскольку задано только одно рабочее давление, то будем считать, что давление в трубном и межтрубном пространствах одинаковое и составляет 0,8 МПа.

Толщина решетки определяется по формуле

S = D*(P/(Rв*ф))^0.5 / 3,1 + c,

R_в = 1,1*R_z,

гдеR_z = 115,2 МПа для данного материала решетки;

ф - коэффициент прочности решетки, рассчитываемый по формуле

ф = (D - n₁*d'_H)/D

гдеn1 - количество отверстий под трубы по диаметральному сечению,

n₁ = 14;

d'_H - диаметр отверстия под трубу, выбирается по формуле

d'_H = d_H*(1 + 0,016 ч 0,02),

с - прибавка на двустороннюю коррозию, с = 0,4 ч 0,8 см.

Определяем толщину решетки по вышеприведенным формулам

d'_H = 25*(1 + 0,02) = 25,5 мм,

ф = (500 - 14*25,5)/500 = 0,28,

R_в = 1,1*115,2 = 126,72 МПа,

S = 500*(0,8/(126,72*0,28))^0.5 / 3,1 + 8 = 11,6 мм.

Суммарная нагрузка на неподвижную решетку

Q = Q₁ + Q₂ = P*р*D²/4,

Усилие на трубную решетку со стороны днища

Q₁ = P*р*d_H²*n/4

Усилие на трубную решетку со стороны труб

Q₂ = P*р*(D² - d_H²*n)/4.

Определяем нагрузки, действующие на трубную решетку, по формулам (3.159) - (3.161)

Q = 0,8*10⁶*3,14*0,5²/4 = 1570 кН,

Q₁ = 0,8*10⁶*3,14*0,025²*201/4 = 79 кН,

Q₂ = 0,8*10⁶*3,14(0,5² - 0,025²*201)/4 = 78 кН.

Полагая, что трубы нагружены усилием Q₁ равномерно, то нагрузка на одну трубу равна

q_т = Q₁/n.

Определяем удельную нагрузку согласно формуле

q_т = 79*10³/201 = 393 Н.

Деформация прогиба решетки

Дl = 3*a²Q/(66*E*s_p³*в),

гдев - коэффициент жесткости перфорированной плиты для обычных условий расположения труб в нормализованных теплообменниках, в = 0,5;

Е - модуль упругости, Е = 1,87*10⁶ кГ/см2;

а - радиус решетки, а = 250 мм.

Деформация сжатия периферийной трубы

Дl_п = Q₁*L/(E*F_t) - 2*Дl_п/3,

гдеF_t - площадь поперечного сечения металла одной трубы, F_t = 1,77*10^-4 м².

Определяем прогибы решетки и трубы по формулам (3.163) и (3.164)

Дl = 3*0,250²*1570*10³/(66*1,87*10¹¹*70*0,5) = 681*10^-6 м,

Дl_п = 79*10³*3/(2*10¹¹*1,77*10^-4) - 2*681*10^-6/3 = 0,066 м.

Нагрузка на 1 см длины трубы определяется по формуле

q = P*d_B²/(4*d_H)*(1 + 0,12*a⁴* F_t/( s_p³*в*L*d_B²)),

Рассчитываем удельную нагрузку на 1 см трубы по формуле (3.165)

q = 0,8*2²/(4*25)*(1 + 0,12*25⁴*1,7663/( 7³*0,5*600*2²)) = 89,95 кГ/см.

Удельная нагрузка удовлетворяет условию, при котором он не должен превышать следующих значений при наличии двух канавок в гнездах под развальцовку

q = 89,95 кГ/см ? 90 ч 100 кГ/см.

В механическом разделе мы выбрали, рассчитали и проверили на пригодность следующее оборудование:

- теплообменный аппарат: в результате расчетов выяснилось что теплообменные аппараты типов ТК и ТН не могут быть применены, в результате, выбран теплообменный аппарат типа ТУ, материал кожуха и трубок сталь 20. наружный диаметр кожуха D_H = 530 мм; внутренний диаметр кожуха D_В = 500 мм; условное давление в кожухе Р_y = 1,6 МПа; длина труб l=3 м.

Расчет трубных решеток и усилий в трубах теплообменного аппарата

Для осуществления современных технологических процессов в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности требуются высокоэффективные аппараты, к которым предъявляются высокие требования по экономичности, надежности, технологичности и эргономичности. На основе выбора вида и принципиальной конструкции аппарата, его основных размеров и рабочих условий производятся расчеты на прочность, как корпуса, так и его составных элементов. При этом результаты расчета во многом определяются конструктивными решениями и материальным оформлением аппарата.

Размещено на Allbest.ru