3.3 Расчет мощности на перемещение нагреваемой воды через аппарат (мощность на валу насоса)
Примем КПД насосов з=0,8.
Мощность на валу насоса , Вт, определяется по формуле(29)
,
где раcход теплоносителя кг/с -общий на оба аппарата ;
гидравлическое сопротивление аппарата, Н/м2;
плотность теплоносителя, кг/м3.
G/= м3/ч
4. Механический расчет
Многие теплообменные аппараты работают при избыточном внутреннем давлении или под вакуумом, вследствие чего в этих элементах возникают напряжения, обусловленные разностью давлений. На эти напряжения накладываются термические напряжения от собственной массы аппарата и находящихся в нем теплоносителей. Необходимо, чтобы в рабочих условиях и при гидравлических испытаниях возникающие напряжения не привели к остаточным деформациям формы аппарата или его разрушению. Конструктивный механический расчет обеспечивает прочность элементов в процессе эксплуатации.
4.1 Расчет на прочность корпуса
Материал ВСт3пс
Диаметр корпуса Dвн=1,2 м
Давление пара Р=0,25МПа(абс)
Расчетная температура tp= ts=127,43С
Толщина стенки корпуса , м, цилиндрического аппарата, работающего с избыточным давлением , МПа, определяется выражением
,
Величину прибавки С, м, суммируют из трех поправок:
С=С1 +С2 +С3,
где С1 - прибавка на коррозию, исходя из условий разъединения материала стенки и срока службы аппарата, м;
С2 - технологическая прибавка на отклонение от правильной геометрической формы при изготовлении, м;
С3 прибавка на минусовый допуск по толщине листа, из которого изготовлен корпус, м.
Величина поправки принимается (3-4)·10-3 м.
коэффициент прочности сварного шва, принимается от 0,65 до 0,9;
нормативное допускаемое напряжение, МПа.
При расчетной температуре tp= 127,43С для Ст3
*=147 МПа -нормативное допускаемое напряжение
( ГОСТ 34233.1-2017, Приложение А,табл.А.1)
У выбранного подогревателя ПСВ-200-7-15 толщина стенки S = 12 мм.
Рассчитанная толщина стенки, м, должна выдерживать давление гидравлических испытаний, поэтому во всех случаях она подлежит контрольной поверке на напряжение при гидравлическом испытании аппарата.
Ри=1,25 Р1 =1,250,25=0,313 МПа- давление при гидроиспытании
Предел текучести стали Ст3 при ts т=227 МПа
(ГОСТ 34233.1-2017, Приложение Б, табл.Б.1 )
т/1,1=227/1,1=206,4МПа
= 26,3 МПа < 206,4МПа
Условие прочности выполнено.
4.2 Расчет на прочность трубок
Материал Л63.
Диаметр трубок 20 мм
Пробное гидравлическое давление в трубках Р= 1,6МПа - требуемое по нормам для сетевой воды
Толщина стенок = 1 мм
Условие прочности
=16,8 Мпа
=62 МПа (ГОСТ 34233.1-2017, ПриложениеА , таблица А.6)
16,8<62 МПа Условие прочности выполняется.
4.3 Расчет днищ и крышек
Днища и крышки изготавливаются из того же металла, что и корпус аппарата. В теплообменных аппаратах чаще всего применяются эллиптические или сферические днища с отбортовкой для обеспечения качественной сварки с цилиндрической части корпуса или крышки. Размеры днищ регламентируются
Расчетная толщина стенки днища, м, подверженной внутреннему давлению, определяется по формуле
,Па
Где Р =0,25 МПа- внутреннее избыточное давление ;
D =1,2 м - внутренний диаметр днища ;
Н - высота выпуклой части днища, м;
С - добавка к толщине S, м;
k - коэффициент, учитывающий ослабление несущей площади конструктивно вносимое неукрепленными отверстиями.
k =1-d/Dвн=1-450/1200=0,625
здесь d - наибольший диаметр неукрепленного отверстия в крышке , а именно патрубки входа и выхода воды
Для эллиптических днищ по ГОСТ 6533-78 значению Dн=1232 мм соответствует Н =305 мм- высота выпуклой части днища.
*=147 МПа- как для корпуса
Учитывая минимально допустимые величины прибавок, регламентируемые для теплообменных аппаратов, а также с целью получения ближайшей большей фактической толщины стенки по сортаменту, значение прибавки c принимается С=4 мм=0,004 м .
Таким образом,
Примем S = 12 мм.
Принятая толщина стенки крышки подлежит контрольной проверке на допустимые напряжения при гидравлическом испытании аппарата, МПа:
.
т/1,1=227/1,1=206,4МПа
41,19 МПа < 206,4МПа
Условие прочности выполнено
4.4 Расчет укрепления отверстий
Наибольший диаметр, м, неукрепленных отверстий сосудов и аппаратов, работающих под давлением, не должен превышать предельное значение, определяемое по формуле(формула (26) ГОСТ24755-89, п3.1)
Расчетные толщины стенок укрепляемых элементов определяют в соответствии с ГОСТ 14249. Для эллиптических днищ, работающих под внутренним давлением, расчетную толщину стенки определяют по формуле:
(формула (15) п.2.3.1ГОСТ24755-89.
(Р=1,6 МПа- гидроиспытание тепловой сети)
Если ось сварного шва корпуса или днища удалена от наружной поверхности укрепляющего штуцера больше чем на 3, следует принимать.
Для водяной камеры Sр=1,6*1,2 /(4*1*147-1,6)=0,0033 м
Толщина стенки днища S=0,012 м
Выбранные штуцеры в водяной камере аппарата имеют чуть меньший Ду (Ду300) и укрепление отверстий не обязательно.
Для корпуса (Рр=0,25 МПа) : Sр=0,25*1,2/(4*1*147-0,25)=0,00051
Укрепление отверстий для ввода пара и выхода конденсата не обязательно .
4.5 Расчет трубных решеток
Для теплообменных аппаратов жесткой конструкции толщина решетки, м, определяется по выражению
,
где = 0,162 - конструктивный коэффициент;
р- разница давлений по сторонам доски ; принимается равной наибольшему из избыточных давлений теплоносителей.Принимаем р=1,6МПа
Коэффициент ослабления доски отверстиями определяется по формуле
t=30 мм шаг между отверстиями; Dр=1,232м -наружный диаметра аппарата,
D =1,2 м- внутренний диаметр аппарата ; N=1020 - число труб
Полученная величина проверяется на допустимые напряжения от изгиба
Для решеток с развальцованными трубками из условий надежности крепления трубок толщина решетки не должна быть меньше:
Условие выполняется: s=0,098 м>0,0075 м
4.6 Расчет фланцевых соединений
Расчет фланцевых соединений состоит из расчета фланцев и шпилек (болтов).
Нагрузка на болты в рабочих условиях складывается из силы , Н, компенсирующей силу внутреннего давления, и силы , Н, создающей давление на прокладку, обеспечивающее герметичность соединения, которые определяются по формулам:
,
,
- средний диаметр прокладки, м;
- ширина прокладки, м;
- предварительное удельное давление на прокладку, МПа;
для прокладок из паронита q=15 МПа;
- расчетное давление, Па.
Задавшись диаметром болта, определяют допускаемую нагрузку, Н, на один болт:
,
и число болтов:
,
- допускаемое напряжение материала болта при температуре рабочей среды, Па.
Толщина тарелки плоского приварного фланца ,м, принимается наибольшей из двух значений, полученных по выражениям:
,
,
- толщина стенки обечайки, м;
наружный диаметр фланца, м;
- внутренний диаметр корпуса, м;
- модуль упругости материала фланца, МПа;
- допустимый угол искривления фланца. =4·10-4 - для паронитовых прокладок;
плечи моментов сил, действующих на фланец, м;
для паронитовых прокладок
;
;
;
.
Dб- размер по оси болтов фланцевого соединения.
1) Расчет соединения корпуса аппарата.
Ширину прокладки берем b=0,022 м
Р=Р 1=0,25 МПа и Dcp.п=Dн+b=1,232+0,022=1,254 м
Выбираем болты М32, допустимая нагрузка на один болт при принятом диаметре
Тогда число болтов должно быть не менее рассчитанного по формуле
=14,09
Принимаем количество болтов М48-32 шт., соответствующее стандартному фланцу DN1200, PN 1,6МПа- по результатам расчета проходит с запасом.
Толщина тарелки плоского приварного фланца h,м:
где S=0,012 м- толщина стенки обечайки;
Dнф=1,485 м- наружный диаметр фланца;
Е=20,2*104 МПа - модуль упругости фланца - сталь 20;
- допустимый угол искривления фланца для паронитовых прокладок;
плечи моментов сил, действующих на фланец, м;
a1=0,5*(Dб- Dср.п.- d)=0,5*(1,39-1,254-0,048)=0,044 м ;
l1=0,5*(Dб- Dср.п.)= 0,5*(1,39-1,254)=0,068 м;
a2=0,5*(Dб- Dср.п.- d-S)=0,5*(1,39-1,254-0,048-0,012 )=0,038 м ;
l2=0,5*(Dб- Dср.п-2S.)= 0,5*(1,39-1,254-2*0,012)=0,056м.
Выбираем толщину фланца h=0,076 м ( cогласно ГОСТ 33259-2015 для DN1200, PN 1,6МПа)
2)Расчет соединения патрубка греющего теплоносителя.
Ширину прокладки берем b=0,022 м
Р= 0,25 МПа и Dcp.п=Dн+b=0,48+0,022=0,502 м
Выбираем болты М20 допустимая нагрузка на один болт при принятом диаметре
Тогда число болтов должно быть не менее рассчитанного по формуле
=12,86
Принимаем количество болтов М27 -20 шт., соответствующее стандартному фланцу DN450, PN 1,6МПа- по результатам расчета проходит с запасом.
Толщина тарелки плоского приварного фланца h,м:
где S=0,010 м- толщина стенки патрубка;
Dнф=0,64 м- наружный диаметр фланца;
Е=20,2*104 МПа - модуль упругости фланца - сталь 20;
- допустимый угол искривления фланца для паронитовых прокладок;
плечи моментов сил, действующих на фланец, м;
a1=0,5*(Dб- Dср.п.- d)=0,5*(0,585-0,502-0,027)=0,028 м ;
l1=0,5*(Dб- Dср.п.)= 0,5*(0,585-0,502)=0,0415 м;
a2=0,5*(Dб- Dср.п.- d-S)=0,5*(0,585-0,502-0,027-0,01)=0,023 м ;
l2=0,5*(Dб- Dср.п-2S.)= 0,5*(0,585-0,502-2*0,01)=0,063 м.
Выбираем толщину фланца h=0,042 м ( в соответствии с ГОСТ 33259-2015 для
DN450, PN 1,6МПа)
3)Расчет соединения патрубка нагреваемого теплоносителя.
Ширину прокладки берем b=0,022 м
Р= 1,6 МПа и Dcp.п=Dн+b=0,325+0,022=0,347 м
Выбираем болты М20 допустимая нагрузка на один болт при принятом диаметре
Тогда число болтов должно быть не менее рассчитанного по формуле
=11,14
Принимаем количество болтов М24 -12 шт., соответствующее стандартному фланцу DN300, PN 1,6МПа- по результатам расчета проходит с запасом.
Толщина тарелки плоского приварного фланца h,м:
где S=0,008 м- толщина стенки патрубка;
Dнф=0,46 м- наружный диаметр фланца;
Е=20,2*104 МПа - модуль упругости фланца - сталь 20;
- допустимый угол искривления фланца для паронитовых прокладок; плечи моментов сил, действующих на фланец, м;
a1=0,5*(Dб- Dср.п.- d)=0,5*(0,41-0,347-0,024)=0,0195 м ;
l1=0,5*(Dб- Dср.п.)= 0,5*(0,41-0,347)=0,0315 м;
a2=0,5*(Dб- Dср.п.- d-S)=0,5*(0,41-0,347-0,024-0,008)=0,0155 м ;
l2=0,5*(Dб- Dср.п-2S.)= 0,5*(0,41-0,347-2*0,008)=0,0235м.
Выбираем толщину фланца h=0,032 м (в соответствии с ГОСТ 33259-2015 для DN300, PN 1,6Мпа)
5. Расчет тепловой изоляции
Тепловая изоляция должна обеспечивать нормативный уровень тепловых потерь оборудованием и трубопроводами, безопасную для человека температуру их наружных поверхностей и требуемые параметры теплоносителей при эксплуатации. В состав конструкции тепловой изоляции для поверхностей с положительной температурой в качестве обязательных элементов должны входить: теплоизоляционный слой, покровный слой и элементы крепления.
5.1 Выбор материала тепловой изоляции
В соответствии с действующими нормативными документами (в частности СП 61.13330.2012 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. Актуализированная редакция СНиП 41-03-2003 (с Изменением N 1) , приложение Б, таблица Б.1 для теплоизоляции оборудования, с температурой содержащихся в нем веществ в диапазоне от 20 °С до 300 °С, следует применять материалы и изделия с плотностью не более 200 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности в сухом состоянии не более 0,06 Вт/м·К.
В качестве теплоизоляционного материала выбираем маты минераловатные прошивные в обкладке из стеклоткани , средняя плотность 100 кг/м3.
5.2 Расчет толщины основного слоя тепловой изоляции
Согласно п.6.7.1 СП 61.13330.2012 температура поверхности изоляции оборудования, находящегося в закрытом помещении не должна превышать величины = 45 0С.
Для выполнения этого требования из условия равенства тепловых потоков со стороны теплоносителя к изолируемой стенке аппарата и теплового потока с поверхности изоляции в окружающую среду толщина основного стоя тепловой изоляции при температуре окружающей среды = 25 0С должна быть не менее:
где , , - температуры изолируемой стенки аппарата, поверхности изоляции и температура окружающей среды;
- коэффициент теплоотдачи с поверхности изоляции в окружающую среду;
- коэффициент теплопроводности основного слоя изоляции.
из=0,038+0,00021tсриз