Механический расчет теплообменного аппарата

Введение

Механический расчет теплообменника — это вычисление, позволяющее определить: могут ли основные элементы аппарата обеспечить его прочность, безопасность и длительность эксплуатации.

Из чего состоит механический расчет?

Определение и расчет нагрузок теплообменного аппарата

Нагрузки подразделяются на категории:

• распределенная механическая
• механическая нагрузка малой площади поверхности
• термическая нагрузка, вызванная расширением
• статическая нагрузка, возникающая при аварийном режиме

Распределение напряжения

После вычисления нагрузок находят распределение напряжения.

Напряжение подразделяется в зависимости от происхождения и влияния, оказываемого на прочность конструкции, на:

• равномерное, вызванное внутренним и внешним давлением
• напряжение изгиба, вызванное механической нагрузкой
• напряжение, вызванное термической нагрузкой или силами связи в соединениях
• напряжение, концентрируемое в близости паза, резьбового соединения и трещины резервуарного типа

Расчет элементов теплообменника

Далее проводится расчет основных элементов агрегата (кожуха, компенсатора, фланца, трубных досок и днища). В каждом элементе вычисляется его нагрузка и напряжение.

Учет вида разрушений

Также при механическом расчете необходимо учесть виды разрушений. К ним относятся:

• вязкий излом
• нарастающее разрушение
• упругий прогиб

Алгоритм проведения механического расчета

Помимо учета описанных выше параметров, механический расчет проводят в следующей последовательности:

1. Выбирается материал для изготовления элементов конструкции. При этом учитываются параметры работы теплообменного аппарата, свойства среды, в которой он будет установлен.
2. Проводится расчет толщины корпусной стенки c учетом напряжения, диаметра теплообменника и расчетного давления.
3. Рассчитывается толщины днища, при этом учитывается ее форма.
4. Производится расчет опор теплообменника с учетом типа опоры, количества опор и их исполнения.
5. При расчете опор учитывается максимальный вес аппарата.
6. Проверяется прочность фундамента. Напряжение материала фундамента должно быть больше напряжения опорной поверхности.

Пример механического расчета теплообменника «труба в трубе»

Теплообменник «труба в трубе» относится к кожухотрубчатым аппаратам.

1. При выборе материала для корпуса теплообменника берут сталь Вст3сп, 16ГС, для труб используют сталь 10, 20.
2. Толщина стенки цилиндрической части теплообменника считается по формуле: S=S_p+C, где:

S_р, S — толщина стенки цилиндрической обечайки, м

3. Толщина стенки эллиптического днища рассчитывается по его вершине, где поверхность имеет небольшой радиус кривизны и считается по формуле:

S=P_р⋅R2[σ]⋅φ−0,5⋅P_р

4. Расчет веса аппарата. Рассчитывая опоры теплообменника необходимо определить максимальный вес аппарат, вычисляемый по формуле:

G_max = G_мет + G_из + G_вод;

G_мет=G_кор+G_вн+G_шт, где:

• G_мет– вес корпуса, внутренних устройств, штуцеров и люков;
• G_из, G_вод–вес изоляции (при ее наличии) и вес воды при гидроиспытании.

Для расчета веса цилиндрической части аппарата используют формулу:

G_ц = 0,785·(D_н2-D_в2)·H·ρ·g, (Н), где:

• ρ – плотность материала стенки корпуса (для стали – 7500-7900 кг/м3);
• D_н, D_в – соответственно наружный и внутренний диаметр, м;
• H – высота или длина обечайки.

Вес днища определяют по формуле: G_дн = 2·m·g, (H), где:

• m – масса днища, кг

Вес воды в аппарате при гидравлических испытаниях определяется как:

G_в = V_общ·ρ_в, (H), где:

• ρ_в – плотность воды (1000 кг/м3)
• V_общ –внутренний объем аппарата, м3

V_общ = V_цил + 2·V_дн, где:

• V_дн  – внутренняя емкость выпуклой части днища, м3
• V_цил – внутренний объем цилиндрической части, м3

Объемы стандартной цилиндрической части и днища:

V_ц=0,785·H_ц·D_в3, м3

V_дн= (π/6)·D_в3 , м3

Вес труб рассчитывают:

G_тp= 0,785·(d_н2 - d_в2)·l·ρ·g·n, (Н)      

Вес штуцеров равен 10%  от веса теплообменника:

G_шт=0,1·(G_ц + 2·G_дн), (Н)     

Вес теплоизоляции 5-10% от минимального веса аппарата:

G_из= (0,05÷0,1)·(G_ц+ 2·G_дн+ G_шт), (Н)

5. Опоры горизонтального аппарата рассчитывают в следующей последовательности:

• Определяют реакции опор по уравнению:

PA = PB = 0,5·G_max, (MH), где:

G_max – максимальный вес аппарата, кг

• Вычисляют расчетный изгибающий момент.
• Выбирают ширину опоры.
• Определяют момент сопротивления расчетного сечения стенки корпуса аппарата от действия реакции опоры.
• Находят напряжение на изгиб в стенке аппарата от действия реакции опоры.
• Расчетные напряжения на изгиб в стенке корпуса от силы тяжести и от действия реакции опор сравнивают с  допускаемыми напряжениями материала на изгиб.

При этом значения изгибающего момента должны  быть меньше значений допустимого напряжения.

Если данное условие не выполнено, но необходимо увеличивать стенку опоры.

Если данное условие выполняется, то все расчёты верны и конструкция по механическому расчету определена, как прочная и надёжная, способная выдержать статические и динамические нагрузки.

Заключение

В следующей статье мы ответим на вопрос: что такое теплообменники? Какие виды теплообменных аппаратов существуют сегодня, в чем их отличие и принцип действия. Поэтому подписывайтесь на нашу e-mail рассылку и новости в соц сетях, чтобы не пропустить ничего нового.