Кожухотрубчатые теплообменники
Кожухотрубчатые теплообменники жесткого типа
Конструктивная особенность этих теплообменников заключается в том, что пучок труб жестко закреплен в корпусе теплообменника. Это обеспечивает простоту конструкции и малый вес ее на единицу площади теплообмена (по сравнению с другими т/о). Основной недостаток теплообменников жесткого типа заключается в том, что они плохо воспринимают температурные напряжения, что ограничивает их область применения (при Dt < 50°C – разность температур в межтрубном пространстве и трубках).
Пуск осуществляется следующим образом: 1-ую среду подают в межтрубное пространство, затем 2-ую среду подают в трубки. Остановка в обратной последовательности. Из трубок выводят 2-ую среду, а затем 1-ую из межтрубного пространства.
Температурные напряжения в трубках и корпусе
Усилия, возникающие в корпусе и трубках жесткого теплообменника под действием температурных деформаций, зависят от разности температур стенок труб и корпуса, материала, из которого они изготовлены, а также от их поперечных сечений. Так как крепление корпуса и труб жесткое, они подвержены одинаковым по значению и противоположным по направлению усилиям
Напряжения в трубках от внутреннего давления
https://engenegr.ru/gost-30780-2002
3.8 Расчет на прочность сильфонного (линзового) компенсатора[9,11]
, (12)
3.1 Общий вид аппарата
1. Верхняя коробка.
2. Опора.
3. Линзовый компенсатор.
4. Люк для осмотра.
5. Трубки.
6. Цилиндрическая обечайка.
7. Нижняя коробка.
8. Коническое днище.
Рисунок 3.1-Общий вид циркулятора
3.8.1 Расчетная схема линзового компенсатора
| 
|
Рисунок 3.5-Линзовый компенсатор
3.8.2 Исходные данные
| Материал: | Ст3 |
| Наибольший внутренний диаметр, Dk: | 1,25∙103 мм |
| Наименьший внутренний диаметр, dk: | 1∙103 мм |
| Толщина стенки, sk: | 12 мм |
| Прибавка для компенсации коррозии и эрозии, c1: | 1 мм |
| Прибавка для компенсации минусового допуска, c2: | 1 мм |
| Сумма прибавок к расчётной толщине стенки, c: | 2 мм |
| Расстояние от начала кожуха, Lk: | 1∙103 мм |
| Радиус кривизны, rk: | 40 мм |
| Число секций, n: | |
| Длина цилиндрического участка, lk: | 100 мм |
3.8.3 Коэффициенты прочности сварных швов:
Окружной шов:
| = 1 |
3.8.4 Расчёт в рабочих условиях
Условия нагружения:
| Расчётная температура, T: | 200 oC |
| Расчётное избыточное давление в трубном пространстве, pT: | 0,07 МПа |
| Расчётное избыточное давление в межтрубном пространстве, pM: | 0,4 МПа |
Допускаемые напряжения для материала Ст3 при температуре t = 200 oC (рабочие условия):
| [σ]K= | 142 МПа |
Модуль продольной упругости для материала Ст3 при температуре 200 oC:
| E=1,81∙105 МПа | |||
| = | (1,25∙103 – 1∙103) / 2 | =125 мм |
| = | 0,16 / (2.2*((1∙103 +12+125) * 12)1/2) | =0,6226248 |
| = | 0,16 / (2*125) | =0,64 |
Коэффициент Cf = 1,778321
Осевая жесткость компенсатора:
Kk== 1.7 * (1∙103 + 125 + 12) * 1,81∙105 / (1 * 1,778321) * (12/125)3 =1,74057∙105 Н/мм
|
Угловая жесткость компенсатора при изгибе:
Kϴ== 1,74057∙105 * (1∙103 + 125 + 12)2 / 8 =4,90∙105 Нм/гр
|
Коэффициент линейного расширения для материала ВТ1-0 при температуре
110 oC:
| αT= | 0,881∙10-5 1/C |
Коэффициент линейного расширения для материала Ст3 при температуре
200 oC:
| α= | 0,13∙10-4 1/C |
Осевое перемещение в компенсаторе:
| ||
| = | 4,138∙103 * (0,881∙10-5 * (110 – 20) - 0,13∙10-4 * (180 – 20)) | =(-5,32602) мм |
Сдвиговая жесткость компенсатора при поперечной нагрузке:
|
KQ= 3*1,74057∙105 * (1∙103 + 125 + 12)2 / (2 * (1*0,16 + (-5,32602))2) =1,410812∙107 Н/мм
3.8.5 Расчет прочности от действия внутреннего или наружного давления
Окружные мембранные напряжения:
| = | 0,4 * (1∙103 + 125 + 12) / ((12 – 2) * (1.14 + 4 * 125 / 0,16)) | =10,66354 МПа |
Условие прочности:
|
10,66354 МПа ≤142 МПа.
Условие прочности выполнено
Осевые мембранные напряжения:
| = | 0,4 * 125 / (2 * (12 – 2)) | =2,5 МПа |
Условие прочности:
|
2,5 МПа ≤ 142 МПа.
Условие прочности выполнено
Коэффициент Cp = 0,5909631
3.8.6 Осевые изгибные напряжения:
| = | 0,4 * 1252 * 0,5909631 / (2 * (12 – 2)2) | =18,4676 МПа |
Условие прочности:
|
2,5 + 18,4676 = 20,9676 МПа ≤ 2.0 * 142 = 284 МПа.
Условие прочности выполнено
3.8.7 Критическая длина цилиндрической краевой зоны сопряжения:
| = | (1∙103 * (12 – 2))1/2 | =100 мм |
Угол поворота:
| =0 градус |
Эквивалентное осевое перемещение при повороте компенсатора на угол ϴ:
| = | (1∙103 + 125 + 12) / 2 * 0 | =0 мм |
Поперечное смещение:
| y | =0 мм |
Эквивалентное поперечное перемещение при поперечном смещении на y:
| = | 3 * (1∙103 + 125 + 12) / (1 * 0,16 + (-5,32602)) * 0 | =0 мм |
Общее эквивалентное перемещение в компенсаторе:
| = | |(-5,32602)| + |0| + |0| | =5,32602 мм |
3.8.8 Осевые мембранные напряжения:
σmmd= 1,81∙105 / (2 * 1,778321 * (12 – 2)) * ((12 – 2) / 125)3 * 5,32602 / 1 =13,8775 МПа
|
Коэффициент Cd = 1,954168
3.8.9 Осевые изгибные напряжения:
σmbd = 5 * 1,81∙105 * (12 – 2) / (3 * 1252 * 1,954168) * 5,32602 / 1 =526,1968 МПа
|
Коэффициент, зависящий от расположения сварного шва:
| =1,1 |
Коэффициент, зависящий от способа обработки поверхности сварного шва:
| =1 |
Эффективный коэффициент концентрации окружного сварного шва:
| = | 1 * 1,1 / 1 | =1,1 |
3.8.10 Расчет на малоцикловую прочность
Амплитуда напряжений:
σAk= 1,1 / 2 * (13,8775 + 526,1968 + 2,5 + 18,4676) =308,573 МПа
|
Коэффициент запаса прочности по числу циклов:
| =10 |
Коэффициент запаса прочности по напряжениям:
| =2 |
Допускаемая амплитуда напряжений:
| A=6∙104 МПа | |||
| B=196,1 МПа | |||
| |||
[σA]b= (2300 – 200) / 2300 * 6∙104 / (10 * 2000)1/2 + 196,1 / 2 =485,4215 МПа
Условие малоцикловой прочности компенсатора: 
|
308,573 МПа ≤ 485,4215 МПа.
Условие прочности выполнено
3.8.11 Дополнительные условия прочности компенсаторов от совместного действия осевого перемещения и давления:
|
308,573 МПа ≤ 3.0 * 142 = 426 МПа.
| = | max{308,573; 196,1 / 2} | =308,573 МПа |
Допускаемое число циклов нагружения:
| = | 1 / 10 * [6∙104 / (308,573 – 196,1 / 2) * (2300 – 200) / 2300]2 | =6772 |
3.8.12Устойчивость компенсатора от внутреннего давления
| = 2.3 * 223 | =512,9 МПа |
Допускаемое давление из условия обеспечения местной устойчивости от действия внутреннего давления:
| = | 1.4 * 512,9 / 0,5909631 * ((12 – 2) / 125)2 | =7,77 МПа |
Допускаемое давление из условия обеспечения общей устойчивости от действия внутреннего давления:
| = | 0.34 * 3,141593 * 1,74057∙105 / (1 * 0,16) | =1,1619∙103 МПа |
3.8.13 Допускаемое давление:
| = | min{7,776432; 1,161984∙103 } | =7,77 МПа |
Условие общей устойчивости от действия внутреннего давления:
0,4 МПа ≤ 7,776432 МПа.
Условие устойчивости выполнено