Проектирование поверхностного теплообменника

Характеристика теплообменника с плавающей головкой (конструкция, размеры, рабочая среда). Выбор конструкционного материала. Расчет деталей на прочность и подбор стандартных или унифицированных деталей. Требования к изготовлению и параметры теплообменника.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

Интенсивное развитие отечественной химической индустрии является одной из важнейших задач, поставленных перед учеными, рабочими и инженерно-техническими работниками промышленности и строительства. Проектирование вообще и химических производств в частности, выделилось в самостоятельную отрасль инженерного труда сравнительно недавно. Это явилось следствием значительного увеличения объема проектных работ.

Конструирование химического оборудования необходимо производить с максимальным использованием стандартизованных и нормализованных узлов и деталей, проверенных в изготовление и хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации.

Конструкция аппарата или машины разрабатывается исходя из основных технических требований, предъявляемых к оборудованию, и условий его эксплуатации. К числу основных требований относятся назначение и среда, техническая характеристика (производительность, емкость), параметры технологического процесса (давление, температура).

Конструкция сосудов должна обеспечивать надежность, долговечность и безопасность эксплуатации в течении расчетного срока службы и предусматривать возможность проведения технического освидетельствования, очистки, промывки, полного опорожнения, продувки, ремонта, эксплуатационного контроля металла и соединений.

Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая отрасли промышленности обеспечивают народное хозяйство огромным количеством всевозможных продуктов, без которых была бы невозможна жизнь современного общества. Для всестороннего развития этих отраслей промышленности необходимо всемерно расширять и углублять постановку научно-исследовательских и опытных работ в области нефтепереработки, нефтехимии и их технологий, аппарато- и приборостроения, совершенствовать существующую технику.

Одним из базовых процессов в технологии нефтяной отрасли промышленности является процесс теплообмена. Теплообменные аппараты подразделяются в зависимости от формы поверхности, вида теплоносителей, способа передачи теплоты. В соответствии с последним показателем их можно классифицировать на поверхностные (рекуперативные), смесительные (контактные), и регенеративные. Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее значительную и важную группу теплообменных аппаратов. В поверхностных теплообменниках теплоносители разделены стенкой, причем теплота передается через поверхность этой стенки. Если поверхность теплообмена в таких теплообменниках формируется из труб, то их называют трубчатыми.

Теплообменник с плавающей головкой применяют при значительных относительных перемещениях труб и кожуха, поскольку в нем одна из трубных решеток не соединена с кожухом и может свободно перемещаться вдоль оси при температурных удлинениях.

Проектирование - процесс разработки технической документации, по которой возможно изготовление нового аппарата, отвечающая заданным требованиям.

Проектирование представляет собой поиск научно-обоснованных технически-осуществимых и экономически-целесообразных инженерных решений.

Конструирование - этап проектирования, когда проводят более детальную проработку конструкции, элементов с учетом технологии изготовления и уточняют все принятые на предыдущих этапах инженерные решения.

теплообменник деталь конструкция прочность

1. Характеристика аппарата (конструкция, размеры, рабочая среда)

Исходные данные:

Тип - ТПГ - теплообменник с плавающей головкой горизонтальный (рисунок 1).

Давление межтрубное p₁ = 2,5 МПа.

Давление трубное p₂ = 4,0 МПа.

Температура межтрубной среды t₁ =50 єС.

Температура трубной среды t₂ =120 єС.

Внутренний диаметр корпуса D_ВН = 500 мм = 0,5 м.

Характеристика среды: межтрубная -- ВГ, трубная -- мазут.

Материальное исполнение М1.

Длина труб L_тр= 3000 мм.

Размеры трубок - 25х2,5.

Число ходов - 2.

1 - крышка камеры распределительной; 2 - камера распределительная; 3 - кожух; 4 - труба теплообменная; 5 - полукольцо; 6 -решетка трубная подвижная; 7 - прокладка плавающей головки; 8 - крышка плавающей головки; 9 - крышка кожуха; 10 - опора подвижная; 11 - опора неподвижная.

Рисунок 1 - Конструкция аппарата

2. Выбор конструкционного материала

При выборе конструкционного материала основным критерием являются его химическая и коррозионная стойкость в заданной среде. Обычно выбирают материал, абсолютно или достаточно стойкий в среде при ее рабочих параметрах, и к расчетным толщинам добавляют на коррозию соответствующие прибавки в зависимости от срока службы аппарата. Вместе с тем следует учитывать и другие виды коррозии (межкристаллитную, точечную, коррозионное растрескивание), которым подвержены некоторые материалы в агрессивных средах.

Материал для изготовления выбирается сообразно требованиям, которые определяются условиями эксплуатации и технологией изготовления.

Основные требования к аппаратостроительным сталям - это эксплуатационные - механическая прочность, коррозионная стойкость, жаропрочность и жаростойкость.

С точки зрения технологии изготовления, свариваемость. Зональные свойства сварного соединения должны находиться на уровне свойств основного материала - пластичность (д 18%, _Т/_В> 0,6).

Недопустимые свойства - хрупкость. Ненужные свойства - прокаливаемость, твердость, износостойкость.

Вся технология выполнения производственных операций должна быть подчинена обеспечению нужных свойств металла в зоне обработки. Обычно аппаратостроительные стали относят к группе строительных сталей.

Для данного аппарата выбираем сталь в соответствии с заданным материальным исполнением М1:

- кожух - сталь 20 (ГОСТ 8331-74);

- распределительная камера и крышка - сталь 20 (ГОСТ 8331-74);

- теплообменные трубы - сталь 20 (ГОСТ 8733-74);

- трубная решетка - сталь 16ГС (ГОСТ 5520-79).

3. Определение расчетной температуры и расчетного давления

3.1 Определение расчетной температуры

Расчетная температура t_рас - это температура для определения физико-механических характеристик конструкционного материала и допускаемых напряжений, это наибольшее значение температуры стенки сосуда и аппарата. Обычно t_рас принимают равной рабочей температуре, но не менее 20?С, т.е.

t_рас = max{ t_раб , 20?С }

t_расМ = max{50?С , 20?С } = 50?С - рабочая температура в межтрубном пространстве;

t_расТ = max{120?С , 20?С } = 120?С - рабочая температура в трубном пространстве.

3.2 Определение расчетного давления для рабочих условий

Расчетное давление Р_рас - это мах допускаемое давление, на которое производится расчет на устойчивость и прочность элементов аппарата при мах их температуре. Для рабочих условий определяется по формуле

Р^t_рас = Р_раб + Р^t_г,

где Р_раб - рабочее давление в аппарате,

Р_раб.М = 2,5 МПа - рабочее давление в межтрубном пространстве;

Р_раб.Т = 4,0 МПа - рабочее давление в трубном пространстве.

Р^t_г - гидростатическое давление среды, если Р^t_г? 5% от Р_раб, то его значением можно пренебречь.

Р^t_расМ = 2,5 МПа - расчетное давление в межтрубном пространстве;

Р^t_расТ = 4,0 МПа - расчетное давление в трубном пространстве.

3.3 Определение расчетного давления для условия испытаний

Расчетное давление для условий испытаний определяется по формуле

Р²⁰_рас = Р_пр + Р²⁰_г,

где Р_пр - пробное давление, которое рассчитывается по формуле

Р_пр = 1,25 · Р^t_рас ,

Р_прМ = 1,25· 2,5·= 3,15 МПа;

Р_прТ = 1,25· 4,0·= 5,3 МПа.

Р²⁰_г - гидростатическое давление среды при t = 20?С, если Р²⁰_г ? 5% от Р_пр, то его значением можно пренебречь и принять Р²⁰_рас = Р_пр.

Р²⁰_рас = Р_прМ= 3,15 МПа.

Р²⁰_рас = Р_прТ= 5,3 МПа.

4. Расчет деталей на прочность и подбор...