Механический расчёт теплообменника

3.1 Выбор конструкционных материалов

Для изготовления кожуха, распределительной камеры, крышек, крышек теплообменника приняли конструкционный материал, согласно ГОСТ 14637-79

Для изготовления трубной решётки теплообменника приняли конструкционный материал согласно ГОСТ 8733-74.

Маркируем теплообменник:

800 ТНГ – 0,6 – 0,4 – М — 2

25 Г -6

3.2 Механические свойства сталей

Согласно [6, с.39, 57, 66] составим таблицу 7.

Таблица 7 – Механические свойства сталей

Материал	Технические требования	в		m
B Cm 3 Сп 5	ГОСТ 380 — 71	380	26	250
Сm 20	ГОСТ 8731 — 74	420	21

3.3 Определение допускаемых напряжений

Допускаемое напряжение для рабочих условий , МПа. для стали B Cm 3 Сп 5 определим по таблице:

Таблица 8 — Допускаемые напряжения для сталей

Расчетная температура, °С	Допускаемое напряжение σ* МПа, для сталей
ВСт3	20, 20К	09Г2С, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 10Г2С1	10Г2	12ХМ	12ХМ	15Х5М	15Х5М-У	15Х5М-У	08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т	03Х21Н21 М4ГБ	03Х18Н11	03Х16Н15 МЗ	06ХН28М ДТ, 03ХН28МДТ
20	140	147	183	180	147	147	155	146	240	240	180	160	153	147
100	134	142	160	160	—	—	—	141	235	207	173	133	140	138
150	131	139	154	154	—	—	—	138	230	200	171	125	130	130
200	126	136	148	148	145	145	152	134	225	193	171	120	120	124
250	120	132	145	145	145	145	152	127	220	173	167	115	113	117
300	108	119	134	134	141	141	147	120	210	167	149	112	103	110
350	98	106	123	123	137	137	142	114	200	—	143	108	101	107
375	93	98	116	108	135	135	140	110	180	—	141	107	90	105

Продолжение таблицы 8

Расчетная температура, °С	ВСт3	20, 20К	09Г2С, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 10Г2С1	10Г2	12ХМ	12ХМ	15Х5М	15Х5М-У	15Х5М-У	08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т	03Х21Н21 М4ГБ	03Х18Н11	03Х16Н15 МЗ	06ХН28М ДТ, 03ХН28МДТ
400	85	92	105	92	132	132	137	105	170	—	140	107	87	103
410	81	86	104	86	130	130	136	103	160	—	—	107	83	—
420	75	80	92	80	129	129	135	101	155	—	—	107	82	—
430	70	75	86	75	127	127	134	99	140	—	—	107	81	—
440	—	67	78	67	126	126	132	96	135	—	—	107	81	—
450	—	61	71	61	124	124	131	94	130	—	—	107	80	—
460	—	55	64	55	122	122	127	91	126	—	—	—	—	—
470	—	49	56	49	117	117	122	89	122	—	—	—	—	—
480	—	44	53	44	114	114	117	86	118	—	—	—	—	—
490	—	—	—	—	105	105	107	83	114	—	—	—	—	—
500	—	—	—	—	96	96	99	79	108	—	—	—	—	—
520	—	—	—	—	69	69	74	66	85	—	—	—	—	—
540	—	—	—	—	50	47	57	54	58	—	—	—	—	—
560	—	—	—	—	33	—	41	40	45	—	—	—	—	—

* (22)

Где n – поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки

* — нормативно допускаемое напряжение, МПа

Допускаемое напряжение из условия испытания , МПа определим по формуле

(23)

Где m20 — минимальное значение предела текучести при температуре 20 0С, МПа.

Таблица 9 – Предел текущей стали

Температура T, 0С	Марка стали	Температура T, 0С	Марка стали
ВСт3	10	20 20К	09Г2С 16ГС	ВСт3	10	20 20К	09Г2С 16ГС
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
20	210	195	220	280	350	147	132	159	185
100	201	188	213	240	375	140	123	147	174
150	197	183	209	231	400	—	—	—	158
200	189	177	204	222	410	—	—	—	156
250	180	168	198	218	420	—	—	—	138
300	162	150	179	201

3.4 Определение пробного давления испытания согласно [2, с.9]

(24)

Где Pp — расчётное давление, МПа

3.5 Определение прибавки к расчётной толщине стенки

Прибавка для компенсации коррозии и эрозии определяли согласно по формуле

(25)

Где Сэ — прибавка для компенсации эрозии;

П — проницаемость среды в материале ( скорость коррозии)

— срок службы аппарата.

3.6 Расчёт на прочность цилиндрической обечайки

Расчётная толщина стенки цилиндрической части корпуса, определяется по формуле:

(26)

Где Pp — расчётное давление, МПа;

Pи — пробное давление, МПа;

— коэффициент прочности сварного шва;

— допускаемое напряжение при рабочих условиях, МПа;

— допускаемое напряжение из условия испытания, МПа.

Коэффициент прочности сварного шва принимали по таблице 10.

Таблица 10 — Коэффициент прочности сварных швов (φ)

Вид сварного шва	φ
При контроле 100% длины шва	При контроле от 10 до 50% длины шва
Стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполненный автоматической или полуавтоматической сваркой	1,0	0,9
Стыковой с подваркой корня шва или тавровый с двусторонним сплошным проваром, выполненный вручную	1,0	0,9
Стыковой, доступный сварке только с одной стороны и имеющий в про =SUM(ABOVE) 0 цессе сварке металлическую подкладку со стороны корня шва	0,9	0,8
Тавровый, с конструктивны зазором свариваемых деталей	0,8	0,65
Стыковой, выполненный автоматической или полуавтоматической сваркой с одной стороны, с флюсовой или керамической подкладкой	0,9	0,8
Стыковой, выполненный вручную с Одной стороны	0,9	0,65

Исполнительная толщина стенки S, м определяется по формуле:

S=Sp+C+C0 (27)

Где Sp — расчётная толщина стенки

C — прибавка к расчётной толщине стенки. М;

C0 — прибавка на округление размера до стандартного размера, м

По рекомендациям ОСТ 26-91 и по соображениям жёсткости конструкции принимаем S = 6мм

3.7 Определение толщины крышки

Расчётная толщина крышки Sпр определяется по формуле:

(28)

Где к – коэффициент, учитывающий тип закрепления крышки.

3.8 Определение толщины трубной решётки.

Толщина трубной решётки S, м, определяется исходя из условия закрепления труб сваркой по формуле:

(29)

Где dн — наружный диаметр трубок, м;

t — шаг трубок, м

3.9 Выбор фланцевого соединения

Согласно [ 2, с.91] приняли плоские приварные фланцы типа выступ-впадина. Материал BCm 3 Сп 3

3.10 Расчёт температурных напряжений в трубах и корпусе

Расчёт ведём по формуле

(30)

Где — коэффициент линейного расширения материала и труб соответственно

tк, tт — средняя температура корпуса и труб;

Ек, Ет — модуль продольной упругости материала корпуса и труб соответственно Па;

Fт, Fк — площадь сечения труб и корпуса соответственно.

Fт=n· ·(dн2-dвн2) (31)

где n — общее число труб;

dн- наружный диаметр труб, м;

dвн- внутренний диаметр труб, м

Площадь сечения корпуса

Fк = (Дн2-Двн2) (32)

Где Дн — наружный диаметр аппарата, м;

Двн — внутренний диаметр аппарата, м.

Примеры технологического, гидравлического и механического расчетов теплообменных аппаратов приведены в [8].

Варианты контрольных заданий

Рассчитать и пообобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого теплообменного аппарата при следующих данных:

Рабочая среда	Назначение аппарата	Параметры рабочей среды
Массовый расход G, кг/ч	Температура, 0С	Абсолютное давление Pх10-5, Па	Допускаемые потери давления Pх10-5, Па
Начальная	Конечная
Спирт этиловый	Холодильник	22000	90	40	1,5	0,20
Бензол	30000	100	30	2,0	0,13
Толуол	16000	110	25	1,3	0,12
Этилацетат	18000	77	30	10,0	0,15
Азот	26000	150	20	2,0	0,3
Хлорбензол	12000	130	30	1,5	0,15
Кислота уксусная (50%)	24000	90	40	1,0	0,11
Воздух	Нагреватель	12000	20	110	2,5	0,19
Хлорбензол	20000	30	100	1,3	0,20
Четырёххлористый углерод	14000	25	90	2,0	0,13
Спирт метиловый	22000	35	100	3,0	0,25
Азот	7000	30	130	2,0	0,30
Толуол	16000	25	95	1,3	0,12
Спирт этиловый	26000	40	90	1,5	0,20
Бензол	10000	40	70	1,0	0,14
Бензол	Конденсатор	9500	—	—	2,5	0,16
Толуол	12000	—	—	1,3	0,23
Уксусная кислота (50%)	2000	—	—	1,5	0,16
Спирт бутиловый	5500	—	—	1,0	0,11
Толуол	10000	—	—	1,5	0,20
Спирт метиловый	18000	—	—	1,5	0,12
Хлорбензол	3500	—	—	1,2	0,14
Спирт этиловый	8000	—	—	1,5	0,18
Четырёххлористый углерод	21000	—	—	2,0	0,16
Бензол	Испаритель	18000	40	—	1,4	—
Толуол	32000	30	—	1,2	—
Спирт этиловый	24000	25	—	1,0	—
Спирт бутиловый	48000	20	—	1,1	—
Четырёххлористый углерод	21000	28	—	1,2	—
Уксусная кислота (50%)	20000	35	—	1,3	—