113

Тема 7. МЕХАНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Для обеспечения сочетания прочности и надежности тепломассообменного оборудования с его экономичностью и малой материалоемкостью на стадии проектирования необходимо провести подробный механический (прочностной) расчет каждого узла и детали вновь создаваемого оборудования. При этом мо-

гут быть выполнены два вида механических расчетов:			У
− проектировочный (конструктивный);
			Т
− поверочный.
В случае конструктивного расчета основные размеры разрабатываемого
			Н
элемента конструкции рассчитывают исходя из характера действующих на него
нагрузок, температуры эксплуатации, материала т необходимого запаса проч-
		Б
ности.
В случае поверочного расчета, когдайразмеры элемента конструкции обу-
словлены какими-либо иными	ажениями, например требованиями техно-

логии, расчет сводится к пределению нап яжений, действующих в материале
			р
рассчитываемого элемен а и их сравнение с допустимыми напряжениями.
		сооб
	К выполнен ю механ ческого расчета основных элементов аппарата при-
		т
ступают после того, как закончены тепловой и гидродинамический расчеты и
определены сн вныеиконструктивные размеры аппарата (диаметры корпуса,
		з
трубных решет к, патрубков, трубок, длина трубок и т.д.).
	о
	7.1 Понятия и определения, используемые в механических расчетах
	п
т пломассообменного оборудования
1.еасчетную температуру определяют на основании тепловых расчетов или
опытных данных. При положительных температурах за расчетную прини-
Р

мают наибольшую температуру стенки (или среды). При любых отрицательных температурах за расчетную принимается 20 оС. Расчетную температуру

114

используют для определения физико-механических характеристик материалов и допускаемых напряжений.

2. Под рабочим давлением понимают максимальное внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего

	процесса, без учета									У
					гидростатического давления среды и без учета допус-
	тимого кратковременного повышения давления при срабатывании предо-
										Т
	хранительного клапана или других предохранительных устройств.
3.	Под условным (номинальным) давлением понимают наибольшее избыточ-
	ное давление при расчетной температуре 20							оС, при котором обеспечивается
									Б
	длительная работа аппарата или сосуда при той же температуре. Ряд услов-
	ных давлений нормализован (ГОСТ 9493-80) в пределахНот 0,1 до 100 МПа:
	0,10; 0,16; 0,25; 0,30; 0,40; 0,60; 0,80; 1,00; 1,25; 1,60; 2,0; 2,50; 3,20; 4,0; 5,0;
							инимают
	6,30; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 32,0; 40,0; 50,0; 63,0; 80,0; 100.
						р
4.	Под расчетным понимают давлен е, дляйкоторого проводят расчет элемен-
					Его		п		, как правило, равным рабоче-
	тов аппаратуры на прочность.
	му давлению или выше п следнего. П и расчете элементов, разделяющих
	пространства с			т
			разными
	требующее большей				олщины стенки рассчитываемого элемента. Если на
	элемент действует г				дростатическое давление, составляющее 5 % или более
	от раб	чего
		, то расчетное давление следует увеличить на это же значение.
5.	пр
	Под	бнымзп нимают давление, при котором проводят испытание сосуда
е		арата.
	или а
6.	До ускаемое напряжение для выбранного материала приближенно можно
	опр д лить по формуле

[σ] = η σ ,	(7.1)
Ргде η - коэффициент, который для взрыво- и пожароопасных сред прини-
мается η =0,9 ; σ - нормативное допускаемое напряжение,	значения которого
для ряда сталей приведены в таблице 7.1.

115

Таблица 7.1 – Допускаемые напряжения для сталей

										У
									Т
								Н
							Б
						й
					и
				р
			о
			т
7. Значения модуля прод льн й упругости (Е) в зависимости от выбранного
			и
материала при расче ной емпературе можно определить из таблицы 7.2.
			з
		о
	Таблица 7.2 – Модуль продольной упругости для сталей
	п
е
Р

116

8.Коэффициент прочности сварных швов φ характеризует прочность свар-

ного шва по сравнению с прочностью основного материала. Значение φ зависит от методы сварки и типа сварного соединения (таблица 7.3). Для бесшовных элементов сосудов и аппаратов φ = 1. УТ

							Н
						Б
					й
				и
				р
9. При расчете сосудов и аппа ат в необходимо учитывать прибавку к рас-
четным толщинам элемен в (С).
Исполнительную олщону с енки элемента определяют по формуле:
		з
	о		тS ≥ S р + С ,					(7.2)
где S
	р - расчетнаяитолщина; С - прибавка к расчетной толщине;
п				С = С1 + С2 + С3				(7.3)
е
Прибавка С2 (для компенсации минусового допуска) и С3								(для компенса-
ции утон ния в процессе изготовления аппаратуры), как правило, невелики и
учитываются технологами по обработке металлов.
РС1 - прибавка для компенсации коррозии и (или) эрозии элементов аппара-
та. Прибавка С1 более существенна, чем С2 и С3 , т.е. приблизительно
				С = С1 = ПТа,				(7.4)

117

где П - скорость коррозии или эрозии;

Та - срок службы аппарата.

Практика эксплуатации тепломассообменных установок допускает ско-

рость коррозии не более 0,5 мм/год. В этом случае прибавка на компенсацию

коррозии составит

С = 4...5 мм. При

этом

обеспечивается срок

их службы

8…10 лет.

У

Т

Для конструктивных элементов, имеющих защитные покрытия, С = 0 .

При двустороннем контакте с коррозионной и (или) эрозионной средой

прибавку С1 необходимо удвоить.

Н

7.2 Расчет на прочность элементов кожухотрубного теплообменного

аппарата

й

Исходными данными для расчета являются: Б

и

−

внутренний диаметр обечайки кожуха D, мм;

р

−

размер теплообменных т уб d

н

× δ, мм;

о

−

число теплообменных т уб n ;

−

рабочее давление в меж рубн м пространстве р

м.тр , МПа;

давление

м.тр

, оС;

−

з

средняя рабочая емпера ура в межтрубном пространстве t

м.тр

о

т

−

расчетн е

в межтрубном пространстве рр

, МПа;

п

оС;

−

средняя раб чая температура в трубном пространстве t

тр

,

−

расчетное давление в трубном пространстве рр

, МПа .

тр

Кроме вышеперечисленных исходных данных для выполнения расчета на

прочность необходимо выбрать конструкционные материалы аппарата с учетом

Рагрессивности теплоносителей и уровня рабочих температур.