Проектирование теплообменника типа ККВ

для условий гидроиспытаний: S_р = =5,5 мм.

S_p=max{S^раб._р ; S^гидр._р}= max{6; 5,5}=6 мм.

 

Исполнительная  толщина эллиптического днища кожуха, мм

 

                                                S ≥ S_р + С,                                      (4.5)

 

С = С₁+С₂+С₃,

 

где    С₁ – прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм:

С₁ =2 мм;

       С₂ – прибавка для компенсации минусового предельного отклонения по толщине листа, мм:

С₂ = 0,8 мм;

     С₃ - прибавка технологическая (компенсация утонения стенки при технологических операциях–вытяжке, штамповке, гибке труб и так далее),мм:

 

С₃ = 0,15·S_р мм,

С₃ = 0,15·6=0,9 мм,

С = 2 + 0,8+ 0,9 = 3,7 мм.

S = 6 + 3,7 = 9,7 мм округляем до ближайшего стандартного значения S=10 мм. Исходя из рекомендаций, толщину стенки кожуха и днища принимаем равной 10 мм [1]. Выберем стандартное эллиптическое днище по ГОСТ 6533-78 [6].

Параметры днища кожуха сведем в таблицу 1.

 

Таблица 1 - Параметры днища кожуха

DВ, мм	S, мм	h1, мм	hв, мм	FДН, м2	VДН, м3	mДН, кг
600	10	25	150	0,44	0,0352	28,3

 

Принятые  в таблице обозначения:

D_в – внутренний диаметр эллиптического днища,

S – толщина стенки эллиптического днища,

h₁ – высота цилиндрической части эллиптического днища,

 h_в – высота эллиптической части эллиптического днища,

F_дн – площадь внутренней поверхности днища,

V_дн – объем днища,

m_дн – масса днища.

 

Эскиз выбранного днища изображен на рисунке 2

 

 

Рисунок 2 – Эскиз эллиптического отбортованного днища

 

 

4.3 Расчет  толщины стенки плоской крышки

 

Расчетная толщина плоской крышки, мм

 

                                                                      (4.6)

где – коэффициент, учитывающий наличие отверстий в крышке, (без отверстий),

 – средний  диаметр прокладки,

 – коэффициент,  зависящий от конструкции крышки, для выбранной конструкции крышки, изображенной на рисунке 3,

По ГОСТ 15180-86 выбираем прокладку для D_у=600 мм и Р_рас=3 МПа.

Параметры прокладки занесем в таблицу  2.

 

Таблица 2 – Параметры прокладки

Dп, мм	d, мм	S, мм	материал
657	620	2	паронит

 

             

Рисунок 3 – Эскиз прокладки

 

Найдем  средний диаметр прокладки:

 

 

 

Определим расчетную толщину крышки:

 

 

 

Исполнительная  толщина крышки, мм

S ≥ Sр + С,

С = С1+С2+С3,

где С1 – прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм

С1 =2 мм;

С2 – прибавка для компенсации минусового допуска, мм

С2 = 0,8 мм;

С3 - прибавка технологическая (компенсация утонения стенки при  технологических операциях  – вытяжке, штамповке, гибке труб и так далее), мм

С3 = 0 мм,

С = 2 + 0,8 + 0 = 2,8 мм,

,

Принимаем S₁=50 мм.

Эскиз крышки приведен на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Эскиз соединения крышки с фланцем кожуха

 

Толщину S₂ (рисунок 4) определим по выражению:

 

,

,

 

 

Принимаем S₂=36 мм.

Размер  S₃ принимают конструктивно. Примем S₃=30 мм.

 

 

 

 

4.4 Выбор и расчет фланцевых соединений

 

В химических аппаратах для разъемного соединения составных корпусов и отдельных  частей применяются фланцевые соединения преимущественно круглой формы. На фланцах присоединяются к аппаратам  трубы, арматура и так далее. Фланцевые соединения должны быть прочными, жесткими, герметичными и доступными для сборки, разборки и осмотра. Фланцевые соединения стандартизованы для труб и трубной арматуры и отдельно для аппаратов.

Конструкцию стандартного стального фланца для  данного аппарата выбираем в зависимости  от расчетной температуры и условного  давления (наибольшее рабочее давление) [1]. Так как Р_у = 4,0 МПа, то выбираем фланец для труб и трубной арматуры стальной приварной встык с соединительным выступом (ГОСТ 12821-80) (рисунок 3).

Основные  размеры фланца сведем в таблицу 3.

 

Таблица 3 –  Основные размеры фланца

Ру, МПа	Размеры, мм								Число отверстий z
	Dу	D	D1	Dn	Dm	D2	b	d
4,0	200	375	320	222	250	285	35	30	12

 

Материал  для данного фланца сталь 09Г2С выбираем в зависимости от рабочих условий (ГОСТ 12821-80).

Рисунок 5 – Конструкция стандартного стального приварного встык фланца с выступом

 

Выбираем  конструкцию и материал прокладки (ГОСТ 15180-86) – плоская неметаллическая (из паронита), исполнение А [10].

Прокладка устанавливается между уплотнительными  поверхностями и позволяет обеспечивать герметичность при относительно небольшом усилии затяжки болтов.

Прокладка должна отвечать следующим основным требованиям: при сжатии с возможно малым давлением заполнять все  микронеровности уплотнительных поверхностей; сохранять герметичность соединения при упругих перемещениях элементов  фланцевого соединения (для этого  материал прокладки должен обладать упругими свойствами); сохранять герметичность  соединения при его длительной эксплуатации в условиях воздействия коррозионных сред при высоких и низких температурах; материал прокладки не должен быть дефицитным.

Расчетные параметры прокладки (РД 26-15-88): m = 2,5, q = 20 МПа, [q] =130 МПа, Е_п = 2000 МПа [15].

 

 

4.4.1 Расчет фланцевых соединений

 

Расчетная температура элементов фланцевого соединения принимается t_ф = t = 130˚С, t_Б = 0,97· t = 0,97·130 ˚С=126˚С [1].

Допускаемые напряжения для болтов в зависимости  от расчетной температуры и их материалов выбираем по ОСТ 26-373-78, [σ]¹²⁶ = 124 МПа;

[σ]²⁰ = 130 МПа.

Допускаемые напряжения для приварных фланцев для сечения S₀ (в месте соединения втулки с обечайкой) при р ≤ 4,0  МПа и числе циклов нагружения N≤2000

[σ_ф0] = 0,003·Е = 0,003·2,05·10¹¹ = 615 МПа.

Находим расчетные величины:

а) меньшая  толщина конической втулки фланца:

 

                            ;                                            (4.7)

=11 мм;

 

б) большая  толщина втулки фланца :

 

                                          ,                                        (4.8)

=25 мм;

 

в) отношение  большей толщины втулки фланца к меньшей

 

                                          β =

                                           (4.9)

;

Выбираем  диаметр болтов принимаем d_Б = М27, [1].

          Наружный диаметр прокладки:

                                      D_п = D_Б – е,                                             (4.10)

где е  = 61 мм [1].    

 

D_п =320 - 61 =259 мм.

 

Средний диаметр прокладки находится по формуле:

 

                                             D_п.ср = (D_п+d_п)/2;                                       (4.11)

 

где D_п, d_п – наружный и внутренний диаметры прокладки соответственно, D_п=259 мм, d_п=216 мм по ГОСТ 15180-86.

 

D_п.ср = (259+216)/2 = 237,5 мм.

 

Ширина прокладки  определяется по формуле:

 

                                               b_п=(D_п-d_п)/2                                     (4.12)

 

b_п=(259-216)/2=21,5 мм.

 

Эффективная ширина плоской прокладки находится по формуле:

 

                                       

;                                              (4.13)

10,75 мм.

 

Определим вспомогательные величины:

                                            ;                                               (4.14)

где l – длина втулки приварного встык фланца, l=46 мм.

 

.

 

а) коэффициент  k находится по формуле:

 

                                                     ( 4.15)

;

 

б) эквивалентная  толщина втулки фланца находится по формуле:

 

                                    s_Е =  ks₀;                                                    (4.16)

 

s_Е =1,72·11=19мм.

 

  в) безразмерный коэффициент λ находится по формуле:

 

                                       λ = h /

,                                     (4.17)

 

 

 

г) безразмерный параметр:

 

                        ω =  [1 + 0,9·λ(1 + ψ₁ ·j²)]^-1,                                 (4.18)

 

где  j = h / s_E = 39/11=3,545;

k = D_Ф/D₅ =375/200=1,875;

ψ₁ = 1,28 · lgK = 1,28 · lg1,875=0,349.

ω =  [1 + 0,9·0,831· (1 + 0,349 ·3,545²)]^-1 = 0,2.

 

д) Параметры ψ₂ , Т определяем по следующим формулам:

 ,                                               (4.19)

 

.

 

                                 ,                              (4.20)

.

 

Угловая податливость фланца находится по формуле:

 

                              у_ф =

,                                 (4.21)

 

где Е_ф - модуль продольной упругости материала фланца,

Е_ф = 2,05·10⁵ МПа,

 

у_{ф =} 17,6₁₀^-8 (Н·м)^-1.

 

Линейная  податливость прокладки находится по формуле:

 

                            у_п = s_п / (π ·D_п.ср·b_п·Е_п),                                     (4.22)

 

где  Е_п – модуль продольной упругости материала прокладки;

Е_п = 2000 МПа [1].

у_п = 2·10^-3 / (3,14·2375·10^-3·21,5·10^-3·2000·10⁶) = 6,24·10^-11  м / Н.

 

Расчетная длина болта находится по формуле:

 

                                       l_Б = l_Б0 +0,28

d,                                        (4.23)

 

где  l_Б0 – длина болта между опорными поверхностями головки болта и гайки, находится по формуле:

             

                                       l_Б0=2h_ф+s_п;                                    (4.24)

 

l_Б0=2 h_ф+s_п = 2·39+2=80 мм;

 

l_Б =80 + 0,28·30 = 88,4 мм.

 

Линейная  податливость болтов находится по формуле:

 

                                            у_Б = l_Б / (Е_Б ·f_Б·z_Б),                                  (4.25)

 

где  f_Б – расчетная площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы, f_Б =4,45·10^-4 м² [1].