Расчёт теплообменника

Исходные данные.

Имеется горизонтальный цилиндрический аппарат, расположенный на двух стандартных  седловидных опорах. У аппарата имеются  два идентичных стандартных эллиптических  днища. Аппарат снабжен рубашкой для обогрева жидкости (продукта), находящейся  в нем. На опоры аппарат опирается не рубашкой, а внутренней цилиндрической его частью. Рассчитать исполнительную толщину стенок самого аппарата и рубашки, которые включают в себя обечайки и днища.

Диаметр аппарата, D=2,2 м

Длина цилиндрической части аппарата, L_ц=4,5 м

Внутреннее давление в аппарате, Р= 1,0 МПа

Внутреннее давление в рубашке, Р_р=0,3 Мпа

Материал аппарата 03Х18Н11

Материал рубашки 09Г2С

Срок службы аппарата,τ = 8 лет

Скорость коррозии, π = 0,3 мм/год

В зависимости от вида среды, ее концентрации и расчетной температуры выбираем сталь 03Х18Н11 и уточняем возможность  изготовления из нее обечайки. Скорость коррозии для данных условий составляет 0,3 мм/год. Допускаемое напряжение [σ] для стали 03Х18Н11 при расчетной температуре до 100° составляет 133Мпа.

Коэффициент прочности сварных  швов φ равен 0,9.

 

 

 

 

 

 

Исходя из рекомендаций определяем численные значения расчетного давления Р по трем возможным вариантам:

1. Давление в аппарате и рубашке остаются неизменными.В том случае результирующим давление будет 0,7МПа, и оно будет являться внутренним;
2. Давление в аппарате падает до нуля МПа,а давление в рубашке остается неизменным. В этом случае результирующее даление будет 0,3МПа, и оно является наружным;
3. Давление в рубашке упало до нуля, а давление в аппарате не изменилось. Результирующее давление будет 1 МПа, и оно является внутренним.

Самое большое абсолютное значение результирующего давления в варианте 3, но по варианту 2 давление является наружным и оно более разрушительно при прочих равных условиях поэтому ведем расчет по двум вариантам: расчетное давление (внутреннее)- 1МПа и 0,3МПа (наружное).

Вариант 3. По формуле    

определяем  толщину стенки обечайки, нагруженной  внутренним давлением.

 

Вариант 2. Здесь зависит от длины обечайки (точнее от расчетной длины L обечайки). По формуле

 
, где L₃₍₁₎ и L₃₍₂₎ длины примыкающих элементов к цилиндрической части аппарата (обечайки) соответственно с одной стороны и  с другой,м.

По формуле 
 
         

где Н  высота выпуклой части днища,м.

 

Следовательно, 

Расчетную толщину  определяем по формуле

 
   

Коэффициент К₂ в зависимости от К₁ и К₃ определяют по номограмме. Значения коэффициентов находим по формулам:

 

 

 

Согласно номограмме(приложение 1) К₂ будет равняться

Проверим  себя по формуле  

Возвращаемся  к формуле

 

 

Из двух составляющих 14мм и 3 мм выбираем максимальное значение 14 мм. Следовательно,

Далее сравниваем значение по варианту 3 и по варианту 2. Наибольшее значение   по варианту 2. Слдеовательно, этот вариант является основным, и по нему проводим все последующие расчеты, а про вариант 3 можно забыть.

Исполнительную  толщину стенки определяем по формуле

, в которой сумма прибавок  определяется по формуле , где - прибавка для компенсации коррозии и эрозии,- прибавка для компенсации минусового допуска по толщине листа, из которого изготавливают данный элемент, - технологическая прибавка, учитывающая утонение элемента при его изготовлении (штамповка,вы тяжка и др.). Составляющая последней формулы – технологическая прибавка равна нулю. Прибавку определяем по формуле ,

где τ  – продолжительность срока службы, π – скорость коррозии.

 

Прибавку  для компенсации минусового допуска  С определяем согласно приложения 1 следующим образом: к расчетной  толщине  прибавляем , получаем 14+2,4 = 16,4 мм. Такой толщины в сортаменте листовой стали нет, поэтому увеличиваем полученное значение до ближайшей стандартной величины. Это будет 18 мм, для которого прибавка = 0,8 мм.

Таким образом, согласно формуле  исполнительная толщина стенки составит 
, однако листовая сталь с такой толщиной не выпускается, поэтому увеличиваем это значение до ближайщей стандартной толщины. Это будет 18 мм.

Допускаемое давление определяем по формуле

 

 

Из вышеприведенного расчета видно, что толщина стенки обечайки не зависит от ее длины.

 

 

 

Выполняем проверку по формуле  – проверка на прочность обечайки, для чего предварительно определим допускаемое давление

 

 

Для этого находим 

 

 

где .

Из полученных результатов выбираем минимальное .

 

Полученные результаты подставляем  в формулу:

 

 

 

 

Условие , выполняется, следовательно, значение по толщине стенки S равное 18 мм, является окончательным.

 

Номограмма  для нахождения значения