Описание теплообменного аппарата

ВВЕДЕНИЕ

 

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты применяются в энергетической, химической, газовой и других отраслях промышленности для нагрева, охлаждения, конденсации и испарения жидкости, пара и их смесей.

 

По назначению стандартные кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего назначения делятся на теплообменники (Т), холодильники (Х), конденсаторы (К) и испарители (И); по конструкции – на аппараты с неподвижными трубными решетками (тип Н), с температурным компенсатором на кожухе (тип К), с плавающей головкой (тип П) и с U-образными трубами (тип У). Основные типы теплообменных аппаратов представлены на рис. 1.

 

Кожухотрубчатые аппараты применяются для теплообмена жидких и газообразных сред с температурами от -70 до +350 ⁰С (аппараты с U-образными трубками от -30 ⁰С). Теплообменные аппараты с плавающей головкой и аппараты с U-образными трубками применяют при значительной разности температур стенок кожуха и труб, а также в случае необходимости механической чистки трубного пучка снаружи.

Теплообменные аппараты изготавливают горизонтальными (Г) и вертикальными (В).

 

Задание на курсовой проект

 

Основной задачей при проектировании новых и совершенствовании существующих теплообменных аппаратов является создание высокопроизводительных устройств, дающих наибольший экономический эффект, характеризующихся наиболее высокими технико-экономическими, эксплуатационными показателями, удовлетворяющих экологическим и эстетическим требованиям.

 

Для выполнения проекта студенту выдается бланк-задание, который включает исходные данные, справочные материалы, вид и количество чертежей, сроки выполнения отдельных этапов и всего проекта.

 

В исходных данных задается набор параметров, необходимый для конструктивного теплового расчета аппарата: давления теплоносителей, температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата, расход одного из теплоносителей или тепловая мощность аппарата.

Заполненный бланк вшивается в пояснительную записку.

 

 

Описание теплообменного аппарата

 

В описании теплообменного аппарата приводятся сведения об области применения данного типа теплообменников, видах теплоносителей, допустимых значениях параметров теплоносителей, материалах, из которых изготовлены основные элементы аппарата.

Приводится схема движения теплоносителей, поясняются принцип работы аппарата и особенности процессов теплообмена в нем.

 

Поясняются выбранный способ компенсации температурных расширений конструкции аппарата, крепление и расположение опор корпуса, расположение патрубков различного назначения.

 

Расчет корпуса аппарата

 

Толщина стенки корпуса , м, цилиндрического аппарата, работающего с избыточным давлением , МПа, определяется выражением

, (46)

Величину прибавки С, м, суммируют из трех поправок:

С=С₁ +С₂ +С₃, (47)

где С₁ – прибавка на коррозию, исходя из условий разъединения материала стенки и срока службы аппарата, м;

С₂ – технологическая прибавка на отклонение от правильной геометрической формы при изготовлении, м;

С₃ - прибавка на минусовый допуск по толщине листа, из которого изготовлен корпус, м.

Величина поправки принимается (3-4)·10^{-3 м}.

где D _вн - внутренний диаметр корпуса, м;

j - коэффициент прочности сварного шва, принимается от 0,65 до 0,9;

- нормативное допускаемое напряжение, МПа.

 

Рассчитанная толщина стенки, м, должна выдерживать давление гидравлических испытаний, поэтому во всех случаях она подлежит контрольной поверке на напряжение при гидравлическом испытании аппарата:

(48)

В случае, если не будет соблюдено это условие, принятая толщина стенки должна быть соответственно увеличена.

 

Расчет днищ и крышек

 

Днища и крышки изготавливаются из того же металла, что и корпус аппарата. В теплообменных аппаратах чаще всего применяются эллиптические или сферические днища с отбортовкой для обеспечения качественной сварки с цилиндрической части корпуса или крышки. Размеры днищ регламентируются [2].

 

Расчетная толщина стенки днища, м, подверженной внутреннему давлению, определяется по формуле

, (49)

где k – коэффициент, ,

здесь d – наибольший диаметр неукрепленного отверстия в крышке;

j - коэффициент прочности сварного шва, для днищ без швов ;

h _в - высота выпуклой части днища, м;

С – прибавка на коррозию, м.

Принятая толщина стенки крышки подлежит контрольной проверке на допустимые напряжения при гидравлическом испытании аппарата, МПа:

. (50)

При невыполнении условия толщина стенки крышки увеличивается и расчет по (50) повторяется.

 

Расчет укрепления отверстий

 

Неукрепленными считаются отверстия под развальцовку, под резьбу, а также отверстия, уплотненные лазовыми лючками или другими затворами, но не имеющие укреплений по контуру.

Наибольший диаметр, м, неукрепленных отверстий сосудов и аппаратов, работающих под давлением, не должен превышать предельное значение, определяемое по формуле:

, (51)

- предельный диаметр, м, неукрепленного отверстия. Отверстия, имеющие больший диаметр, укрепляются штуцерами или накладками (см. рис.3) либо тем и другим вместе. При этом суммарная площадь сечений укрепляющих элементов должна компенсировать изъятый отверстием металл и удовлетворять условию

, (52)

где . Если ось сварного шва корпуса или днища удалена от наружной поверхности укрепляющего штуцера больше чем на 3 , следует принимать .

 

Расчетная высота, м, внешней части укрепляющего штуцера и наименьшая толщина стенки штуцера , м, вычисляются по формулам

 

;

(53)

где d – диаметр укрепляемого отверстия, м;

- нормативное допускаемое напряжение, МПа.

При определении размеров укрепляющей накладки сначала принимают ее толщину , затем определяют ширину , м, по формуле

 

, (54)

где S – толщина стенки укрепляющего элемента, м.

Расчет трубных решеток

 

В теплообменом аппарате нежесткой конструкции толщина трубной решетки, м, определяется по формуле для плоского днища с учетом ослабления отверстиями:

 

, (58)

где = 0,162 – конструктивный коэффициент;

- разница давлений по сторонам доски, Па; принимается равной наибольшему из избыточных давлений теплоносителей.

Коэффициент ослабления доски отверстиями определяется по формуле

, (59)

- минимальный шаг между отверстиями.

Для решеток с развальцованными трубками из условий надежности крепления трубок толщина решетки, м, не должна быть меньше

. (60)

Для теплообменных аппаратов жесткой конструкции толщина решетки, м, определяется по выражению

, (61)

полученная величина проверяется на допустимые напряжения от изгиба

. (62)

 

 

Расчет фланцевых соединений

 

Расчет фланцевых соединений состоит из расчета фланцев и шпилек. Основные типы фланцев и определяемые размеры соединений показаны на рис. 6.

 

Нагрузка на шпильки в рабочих условиях складывается из силы , Н, компенсирующей силу внутреннего давления, и силы , Н, создающей давление на прокладку, обеспечивающее герметичность соединения, которые определяются по формулам

, (63)

, (64)

 

где - ширина прокладки, м;

- расчетное давление, Па;

- средний диаметр прокладки, м;

- предварительное удельное давление на прокладку, МПа;

- для прокладок из паронита q = 15 МПа;

- для прокладок из цветных металлов q = 70-100 МПа;

- для прокладок из сталей q = 125-150 МПа.

Задавшись диаметром шпильки, определяют допускаемую нагрузку, Н, на одну шпильку:

, (65)

и число шпилек:

, (66)

 

- допускаемое напряжение материала шпильки при температуре рабочей среды, Па.

 

Толщина тарелки плоского приварного фланца , м, (рис.6, а, б) принимается наибольшей из двух значений, полученных по выражениям

, (67)

, (68)

плечи моментов сил, действующих на фланец, м:

- для паронитовых прокладок , (69)

;

- для металлических прокладок , (70)

;

- для обоих типов прокладок

, (71)

.

- толщина стенки обечайки, м;

- внутренний диаметр корпуса, м;

наружный диаметр фланца, м;

- модуль упругости материала фланца, МПа;

- допустимый угол искривления фланца ( =4·10^-4 – для паронитовых прокладок, = 2·10^-5 – для плоских металлических прокладок).

 

Расчет приварного встык фланца выполняется по формулам

 

; (72)

. (73)

- толщина втулки на расчетной высоте, м.

 

Расчет опор аппарата

 

Расчет опор вертикальных аппаратовпроизводится по максимальному весу аппарата G _max при заполнении его водой.

Общая площадь всех опор, м²,

(74)

где F₀ – суммарная площадь всех опор аппарата, м²:F₀= ac (см. рис. 5);

G _max– масса заполненного водой аппарата, кг;

σ_фунд– допускаемое напряжение в фундаментах, МПа:

- для фундаментов из бетона σ_фунд = 2 МПа;

- для фундаментов из кирпичной кладки σ_фунд = 0,7÷0,8 МПа.

 

Нагрузка, приходящаяся на одну опору, т,

(75)

где n – количество опор (как правило равняется двум, трем или четырем).

 

Толщина ребра опоры, м,

(76)

где k_р – коэффициент, зависящий от гибкости ребра по его гипотенузе;

m – число ребер в опоре;

а – вылет опоры (см. рис. 7), м;

σ – допускаемое напряжение материала опоры на изгиб, МПа.

 

Радиус инерции ребра, м,

. (77)

Гибкость ребра по гипотенузе

(78)

Коэффициент k_р определяетсяв зависимости от гибкости ребра по гипотенузе λ:

 

λ
kр	1,00	0,95	0,89	0,77	0,61	0,45	0,33	0,25	0,20

Горизонтальные аппараты устанавливаются на две седловые опоры, показанные на рис. 8.

 

На рис. 9 дана схема распределения нагрузок для расчета седловой опоры.

 

 

В общем случае на опору действуют вертикальная сила (реакция опоры) , Н:

Q= 0,5 G _max, (79)

горизонтальная сила , Н:

 

P ₁ =k ₁ Q, (80)

 

где k ₁ = 0,0018461 δ - 0,0123077;

δ – угол охвата корпуса аппарата водой, град;

горизонтальная сила трения , Н:

P ₂ = 0,15 Q. (81)

 

Площадь опорной плиты, м, принимается конструктивно и должна удовлетворять условию

, (82)

где σ_фунд – допускаемое напряжение сжатия бетона фундамента, МПа:

 

Марка бетона
σфунд, МПа

 

Расчетная толщина опорной плиты, м,

, (83)

где b – ширина поперечных ребер опоры (см. рис. 8), м;

k₂ - коэффициент, определяемый по рис. 10 в зависимости от отношения b/a;

σ_м – допускаемое напряжение материала опорной плиты, МПа.

 

Рис. 10. График для определения коэффициента k₂

 

Фактическая толщина опорной плиты S _пф>10 мм.

Расчетная толщина ребра 1 из условия прочности на изгиб и растяжение, м,

, (84)

где D – наружный диаметр корпуса аппарата, м;

σ – допускаемое напряжение материала, МПа.

Толщины ребер 1 и 2 проверяют на устойчивость от действия сжимающей нагрузки q, Н, приходящейся на единицу длины ребра

, (85)

где l_об – общая длина всех ребер в опоре, м:

- для схемы 1: l _об = a(m- 1) +bm;

- для схемы 2: l _об = a(m- 1) +2bm;

здесь m – число ребер на опоре.

Расчетная толщина ребер, м, из условия устойчивости

, (86)

σ_кр – допускаемое напряжение на устойчивость, МПа,

, (87)

где σ_m – предел текучести материала, МПа:

σ₁ – критическое напряжение, МПа:

, (88)

где Е – модуль упругости материала ребер, МПа;

S_p – большее из значений S_pp и S_pr;

h₂ – высота крайнего наружного ребра, м.

 

Условие прочности опор при действии изгибающей силы Р ₂

, (89)

в случае приварной опоры

, (90)

где h ₁ – высота среднего ребра опоры, м;

W – момент сопротивления горизонтального сечения по ребрам у основания опоры, м³.

 

Расчет на устойчивость

 

Цель расчета на устойчивость корпуса аппарата – определение критического давления, при котором он может утратить свою цилиндрическую форму и стать эллиптическим или волнообразным.

 

Критическая длина тонкостенной оболочки

(91)

где D _c – средний диаметр оболочки (корпуса или днища), м;

S – толщина стенки оболочки, м.

Критическое напряжение:

при

(92)

при 0,5 D _c <L<L _кр

(93)

Критическое давление, МПа,

(94)

Допустимое с точки зрения устойчивости наружное давление, МПа,

(95)

Коэффициент η принимается меньшим из двух значений:

η = 0,7 или η = λ/(λ+1), где λ = σ_m/σ_кр.

В качестве расчетной длины L для гладкой цилиндрической оболочки принимается расстояние, равное сумме длины оболочки, длины отбортованных частей и одной трети высоты каждого днища, а при наличии фланцев – расстояние между фланцами.

 

Расчет тепловой изоляции

 

Тепловая изоляция должна обеспечивать нормативный уровень тепловых потерь оборудованием и трубопроводами, безопасную для человека температуру их наружных поверхностей и требуемые параметры теплоносителей при эксплуатации. В состав конструкции тепловой изоляции для поверхностей с положительной температурой в качестве обязательных элементов должны входить: теплоизоляционный слой покровный слой и элементы крепления.

 

Требования «Ростехнадзора»

Основные требования к кожухотрубчатым теплообменным аппаратам изложены в «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» (ПБ 03-576-03) [8].

 

Конструкция аппаратов должна обеспечивать надежность и безопасность эксплуатации в течение расчетного срока службы, указанного в паспорте, и предусматривать возможность проведения технического освидетельствования и ремонта. Для поддержания экономичной и безотказной работы теплообменных аппаратов необходим регулярный контроль за состоянием отдельных элементов оборудования, определение фактических показателей работы аппаратов и сопоставление их с нормативными, анализ причин ухудшения показателей работы и их оперативное устранение.

Определение фактических значений эксплуатационных показателей эффективности работы аппаратов производится на основании данных гидравлических испытаний.

Гидравлическому испытанию подлежат все аппараты после их изготовления. Пробное давление Р _пр при гидравлическом испытании определяется по формуле

 

(99)

 

где Р - расчетное давление, МПа (кгс/см²);

[σ]_{20, t} - допускаемые напряжения для материала соответственно при +20 °С и расчетной температуре t, МПа (кгс/см²).

 

Испытание проводят чистой водой с температурой не ниже 5 ^оС и не выше 40 ^оС, которую закачивают с помощью гидравлического насоса в аппарат.

 

Давление следует поднимать равномерно до достижения им значения пробного. Скорость подъема давления и время выдержки под пробным давлением принимается согласно Правилам [8].

 

Давление при гидравлическом испытании контролируется манометрами. Количество манометров и их класс точности принимается согласно Правилам [8].

После выдержки под пробным давлением давление снижают до расчетного, при котором производят визуальный осмотр наружной поверхности, разъемных и сварных соединений. Не допускается обстукивание аппарата во время испытаний. После проведения гидравлического испытания вода должна быть полностью удалена.

 

Результаты испытаний считаются удовлетворительными, если во время их проведения отсутствуют:

- падение давления по манометру;

- пропуски испытательной среды (течь, потение, пузырьки воздуха или газа) в сварных соединениях и на основном металле;

- признаки разрыва;

- течи в разъемных соединениях;

- остаточные деформации.

 

Корпус аппарата и его элементы, в которых при испытании выявлены дефекты, после их устранения подвергаются повторным гидравлическим испытаниям пробным давлением, установленным Правилами [8].

Периодичность технических освидетельствований и гидравлических испытаний также устанавливается Правилами [8].

 

Графическая часть

 

Графическая часть проекта состоит из двух листов формата А1, на которых изображаются:

 

1. Общий вид теплообменного аппарата.

2. Сборочный чертеж и чертежи деталей.

 

Рекомендуется следующая общая последовательность выполнения чертежей:

 

- определяется рабочее положение аппарата или сборочной единицы, необходимое число разрезов, видов и сечений;

- с учетом форматов листов (А1 и А3) и габаритов изделий выбираются оптимальные масштабы по ГОСТ 2.302-68;

- наносятся осевые линии изображений;

- прочерчиваются тонкими линиями внешние линии корпуса или наиболее крупных деталей, а потом всех остальных;

- вычерчиваются тонкими линиями внутренние контуры деталей, попавших в разрезы. Вычерчиваются необходимые сечения.

- проверяется и обводится чертеж с учетом толщины линий по ГОСТ 2.303-68;

- проставляются размеры;

- наносятся номера позиций;

- заполняются графы основной надписи и спецификации по ГОСТ 2.105-79, ГОСТ 2.108-68.

 

Каждый из видов чертежей имеет следующие особенности.

 

Чертеж общего вида дает полное представление о конструкции и основных размерах аппарата, основных деталей и о принципе его работы.

На чертеже выполняются продольный и поперечный разрезы аппарата, которые при необходимости дополняются другими изображениями (видами, разрезами, сечениями). Количество изображений должно быть наименьшим, но обеспечивающим полное представление об аппарате.

На чертеже общего вида может приводиться техническая характеристика аппарата: теплопроизводительность, поверхность нагрева, давления и расходы теплоносителей, давления гидравлических испытаний, общая масса аппарата, назначение патрубков.

При нанесении размеров проставляются габаритные, установочные, присоединительные размеры и размеры крайних положений подвижных частей. При необходимости, проставляются справочные размеры, отмечаемые у размерных чисел знаком «*».

Сварное и паяное соединение сборочной единицы из однородного материала в сборе с другими сборочными единицами в разрезах и сечениях штрихуют как монолитное тело (в одну сторону), изображая границы между свариваемыми деталями сплошными основными линиями.

Все сборочные элементы аппарата нумеруются и заносятся в спецификацию чертежа.

 

Сборочные чертежи выполняются для сборочных единиц аппарата, которые в свою очередь собраны (обычно на сварке) из отдельных деталей. Чертеж дает представление о расположении и взаимной связи составных частей, соединяемых по данному чертежу, обеспечивает возможность сбрки и контроля данного изделия. Примером такого элемента может служить сварной корпус кожухотрубчатого теплообменного аппарата, состоящий из обечайки, патрубков, штуцеров, фланцев, бобышек и т.д. В целом для теплообменного аппарата он является одной сборочной единицей и включается в его спецификацию под одним номером. При выполнении сборочного чертежа следует руководствоваться ГОСТ 2.109-73, соблюдая следующие требования:

 

- сборочная единица изображается, как правило, в рабочем положении, т.е. в положении, занимаемом ею на месте установки;

- проставляются габаритные, установочные, присоединительные размеры;

- швы сварных соединений указываются по ГОСТ 2.312-72;

- болтовые соединения принято вычерчивать упрощенно без фасок;

- все детали должны быть пронумерованы;

- на чертеже указываются технические требования.

Чертежи деталей являются рабочими чертежами для изготовления отдельных деталей, являющихся рабочими чертежами для изготовления отдельных деталей, из которых собираются аппарат и его элементы. В данном проекте выполняются чертежи только тех деталей, из которых выполняется выбранная сборочная единица, по следующим правилам:

- каждая деталь изображается на отдельном чертеже;

- стандартные детали - болты, гайки, шайбы, шпильки и др. – не чертятся;

- в основной надписи указывается материал, из которого изготавливается деталь;

- на чертежах проставляются классы чистоты поверхности по ГОСТ 2.309-73;

- при необходимости указываются допуски и посадки по ГОСТ 25346-89 и ГОСТ 25347-82.

 

Рис. 11. Пример оформления чертежа общего вида

Исходные для расчета кожухотрубчатого теплообменника

 

Исходные данные	Задания
1 Конденси-рующийся насыщенный пар	Этиловый спирт	Бензол	Воды
2 Давление пара, МПа	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,2	0,25	0,3	0,4	0,2	0,4	0,5	0,5
3 Жидкость-раствор	Вода	Вода	NaOH	H2SO4
4 Концентрация раствора, %	-	-	-	-	-	-	10,15	10,15	10,15	10,15
5 Производи-тельность по пару, кг/с	0,1	0,25	0,5	0,3	0,6	1,0	-	-	-	-	-	-	-	-
6 Производи-тельность по жидкости, кг/с	-	-	-	-	-	-
7 Начальная температура жидкости, 0С
8 Конечная температура жидкости, 0С
1 Конденси-рующийся насыщенный пар	Воды
2 Давление пара, МПа	0,2	0,3	0,4	0,5	0,2	0,4	0,5	0,2	0,25	0,3	0,25	0,4	0,7	0,6
3 Жидкость-раствор	NaOH	H2SO4	NaCl	Вода
4 Концентрация раствора, %
5 Производи-тельность по пару, кг/с	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
6 Производи-тельность по жидкости, кг/с	0,2	0,6	1,5	3,0	0,3	1,0	1,5	0,5	1,0	2,0	0,6	1,8	-	-
7 Начальная температура жидкости, 0С
8 Конечная температура жидкости, 0С

 

 

Библиографический список

 

1. Стандартные кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего назначения (каталог). М.: ЦМНТИХимнефтемаш, 1988.

2. Теплоэнергетика и теплотехника. В 4 кн. 3-е изд./под общ. ред. А.В.Клименко, В.М.Зорина. М.: Изд-во МЭИ, 1999.

3. Теплообменники энергетических установок: учебник для вузов / К.Е.Аронсон [и др.]; под ред. Ю.М. Бродова. Екатеринбург: Сократ, 2002. 968 с.

4. Подогреватели сетевой воды в системах теплоснабжения ТЭС и АЭС: учебное пособие / Ю.М.Бродов [и др.]; под ред. Ю.М.Бродова. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1999. 38 с.

5. Бакластов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок/ А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, П.Г.Удыма. М.: Энергоиздат, 1981. 336 с.

6. Лебедев П.Д. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий (курсовое проектирование)/ П.Д. Лебедев, А.А. Щукин. М.: Энергия, 1970. 408 с.

7. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры/А.А.Лащинский, А.Р.Толчинский. Л.: Машиностроение, 1970. 752 с.

8. ПБ 03-576-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. М.:Госгортехнадзор РФ, 2003.

9. Кутателадзе С.С. Справочник по теплопередаче/ С.С.Кутателадзе, В.М.Боришанский. М.: Госэнергоиздат, 1959. 414 с.

10. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/ И.Е.Идельчик. М.: Машиностроение, 1975. 560 с.

11. СНиП 41-03-2003. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. СПб.: Изд-во ДЕАН, 2004. 64 с.