124129 (Расчет аппарата воздушного охлаждения), страница 3

Рисунок 4

1 – крышка; 2 – прокладка; 3 – трубная решетка

4.1 Проверка на прочность шпилек

Определяем основные расчетные размеры трубной решетки и прокладки.

Расчетная ширина прокладки

b_прR = min {b_пр, 3,87 } (37)

b_прR = min {12, 3,87 = 13,4} = 12 мм.

Принимаем прокладочный коэффициент m_пр = 2,5 для прокладки из паронита.

Расчетный размер трубной решетки в продольном направлении:

L_p = L_пр – Ь_прR; (38)

L_p = 1282 - 12 = 1270 мм.

Расчетный размер трубной решетки в поперечном направлении:

В_р = В_пр – b_прR; (39)

В_р = 246 - 12 = 234 мм.

Расчетная ширина перфорированной части трубной решетки:

В_т = min {z^.t₂, В_р}; (40)

В_т = min{4· 51 = 204; 234} = 204 мм.

Характерный размер отверстий решетки (для решеток с трубами, закрепленными в части толщины решетки):

d_E = d_o - δ_т; (41)

d_E = 25,4 – 2= 23,4 мм.

Коэффициент ослабления решетки отверстиями:

φ_р = 1 - d_E/t₁; (42)

φ_р = 1 – 23,4 / 52 = 0,55.

Принимаем для дальнейших расчетов прибавку на коррозию материала С = 1,5 мм.

Определяем расчетное усилие в шпильках в условиях эксплуатации:

F_Б = P_p[L_pB_p + 2b_прR^.m_пр^.(L_р + В_р)], (43)

где Р_р – расчетное давление,

Р_р = Р - Р_атм, (44)

Р_р = 0,22 – 0,1 = 0,12 МПа;

F_Б = 0,12· [1270^.234 + 2^.12^.2,5·(1270 + 234)] = 46490,4 Н.

Давление испытания при использовании литых крышек:

Р_исп = 1,5P_p[σ]²⁰/[σ]^t, (45)

где [σ]^t = 121,2 МПа, [σ]²⁰ = 140 МПа – допускаемые напряжения для стали 10Х18Н9ТЛ – материала для изготовления крышки (для исполнения Б4) при рабочей температуре t_р = 144^оС и при нормальных условиях соответственно [4, с. 147];

Р_исп = 1,5^.0,12·121,2/140 = 0,156 МПа,

Коэффициент податливости фланцевого соединения крышки и решетки η_р = 2 [4, с. 84].

Расчетное усилие в шпильках в условиях испытания или монтажа:

(46)

Окончательно принимаем F_o = 106797,6 Н.

Поперечное сечение шпильки М16 (в ослабленном резьбой сечении) S_Б = 157 мм² [4, с. 118].

Допускаемые напряжения для шпилек из стали 35Х:

[σ]²⁰_Б = 230 МПа; [σ]^t_Б = 228,24 МПa.

Условие прочности шпилек:

F_Б/(S_Бп_Б) = 46490,4/(157·46) = 6,44 < [σ]^t_Б =228,24,

F_o /(S_Бп_Б) = 106797,6/(157·46) = 14,8 < [σ]²⁰_Б = 230.

Условие прочности выполняется.

4.2 Определение толщины трубной решетки

Предварительно рассчитываем необходимые коэффициенты и параметры:

- безразмерная характеристика нагружения решетки болтовым изгибающим моментом:

Λ_р = , (47)

Λ_р = ;

- относительная ширина беструбного края:

λ_р = (В_р - В_т)/ В_т, (48)

λ_р = (234 - 204)/204 = 0,147;

- безразмерная характеристика нагружения решетки давлением, действующим на беструбную зону:

ψ_р = λ_р (λ_р + 2) (49)

ψ_р = 0,147·(0,147 + 2) = 0,316;

- вспомогательные коэффициенты:

, (50)

;

, (51)

;

- допускаемая нагрузка на единицу площадки трубного пучка из условия прочности труб, с учетом того, что для материала труб - стали 10Х17Н13М3Т при рабочей температуре t = 144^оС допускаемое напряжение [σ]_т =146,7 МПа [4, с. 147], модуль продольной упругости Е_т = 2,06 ·10⁵ МПа [4, с. 147]:

, (52)

МПа.

- коэффициент уменьшения допускаемого напряжения труб при продольном изгибе

, (53)

.

- коэффициент несущей способности трубного пучка Ω при P_pη₁ > φ_Т[q]_T (Р_рη₁= 0,12·0,885 = 0,1062 МПа; φ_Т[q]_T = 0,006·1,73 = 0,0104 МПа):

, (54)

.

Так как Ω < 1, толщину труб увеличивать не следует.

- расчетное усилие в зоне уплотнения:

F₁ = [F_o /(L_p + В_р)]^.(Р_р/ Р_исп), (55)

F₁= [106797,6/ (1270 + 234)] (0,12/0,156) = 54,62 МН/мм;

- плечи изгибающих моментов, действующих на фланцевое соединение решетки с крышкой:

l₁ = 0,5(В_Б - В_р), (56)

l₁= 0,5 (296 - 234) = 31 мм,

l₂ = 0,5 (В_Б - В_пр), (57)

Принимаем для основного материала трубной решетки - стали 10Х17Н13М2Т допускаемое напряжение [σ]_р = 146,72 МПа [4, с.147]. Тогда толщина трубной решетки в пределах зоны перфорации

, (58)

где принимаем С = 0,5;

мм.

Принимаем s₁ = 20 мм.

Толщина трубной решетки в месте уплотнения

, (59)

мм.

Принимаем толщину основного слоя s₂ = 6 мм

Толщина трубной решетки вне зоны уплотнения

, (60)

мм

4.3 Проверка условия прочности крепления труб в трубной решетке

Определим параметр трубного основания:

, (61)

.

По [4, с. 87] найдем значения коэффициентов Z_F, Z_M: Z_F = 1,1, Z_M = 0,2.

Учитывая, что трубки крепятся в решетке способом развальцовки с канавками на глубину l₀ = 19 мм, определяем допускаемую нагрузку на единицу площади трубного пучка из условия прочности крепления труб в решетке:

[q]_TP = , (62)

где μ_РВ = 0,5 – для развальцовки с канавками,

[q]_TP = МПа.

Проверяем условие прочности крепления труб:

P_P[Z_F -η₁ + Z_M (Λ_р + ψ_p)] = 0,12·[1,1- 0,885+0,2·(5,55 + 0,316)]= 0,167, (63)

0,167 < [q]_TP = 1,45.

Условие выполняется.

4.4 Определение размеров стенок крышки

Предварительно вычисляем необходимые коэффициенты:

- безразмерная характеристика нагружения крышки болтовым изгибающим моментом:

, (64)

;

- безразмерная характеристика нагружения крышки давлением, действующим на ее фланцевую часть:

, (65)

где Н_к – высота крышки, принимаем Н_к = 100 мм [4, с.120]

;

- поправочный коэффициент для свободно опертой плиты:

, (66)

;

- поправочный коэффициент для защемленной плиты

f₂ = 0,5 f₁, (67)

f₂= 0,5. 0,845 = 0,423;

- коэффициент сопротивления фланцевой части крышки

, (68)

где предварительно принимаем, что S₄ = 17 мм, S₅ = 17 мм, S₆ = 23 мм;

;

- поправочный коэффициент:

, (69)

,

Принимаем = 0,779;

- коэффициент сопротивления фланцевой части крышки

, (70)

;

- допускаемое напряжение для материала крышки при расчетной температуре [σ]_к = 146,72 МПа;

- коэффициент прочности сварного шва φ_св= 0,95.

Толщина донышка крышки:

, (71)

мм;

Толщина стенки крышки в месте присоединения к фланцу

, (72)

мм;

Толщина фланца крышки

, (73)

мм;

Толщина боковой стенки крышки s₇ ≥ s₅.

Принимаем окончательно, что s₄ = 5 мм, s₅ = 5 мм, s₆ = 18 мм, s₇ = 15 мм.

4.5 Подбор сортамента опорных балок металлоконструкции

Масса трубной секции аппарата исполнения Б4 на давление 0,6 МПа с трубами длиной 8 м и числом рядов труб 4, согласно [4, с.143], составляет М_сек = 3050 кг, соответственно масса трех секций – 3^.3050 = 9150 кг.

Масса жидкости в трубном пространстве аппарата АВГ при φ = 14,6 с внутренним диаметром труб 21 мм составляет М_ж = 800 кг [4, с.145].

Масса диффузора, коллектора вентилятора и предохранительной сетки Муз ≈ 800 кг [4, с. 122].

Масса всего аппарата составляет М_ап= 15205 кг [4, с.130].

Значение распределенной нагрузки от веса трех, заполненных средой секций, приходящееся на три поперечные опорные балки:

q_P = (3 М_сек + М_ж) g / (n_с L_з), (74)

q_P = (3·3050 + 800)·9,81/(3 ·4,15) = 7840,12 Н/м.

Максимальный изгибающий момент от этой нагрузки:

М = q_P L₃² /12 (75)

М = 7840,12. 4,15²/12 = 11252,21 Н,м = 11,3 кН,м.

Допускаемое напряжение материала опорных балок (Сталь ВСт3) [σ] = 140 МПа [4, с.147].

Ориентировочный момент сопротивления сечения балки:

, (76)

см³.

По [4. c.148] принимаем балку двутавровую №18 с моментом сопротивления сечения балки W_сеч = 109 см^З; статическим моментом площади сечения балки М_сеч = 62,3 см³; шириной полки профиля балки b_СЕЧ = 8,1 см; главным линейным моментом инерции сечения балки относительно горизонтальной оси I_сеч = 873 см⁴.

Тогда:

- нормальное напряжение

, (77)

МПа;

- касательное напряжение [4, с. 123]

, (78)

Н/см² = 1,48 МПа;

- эквивалентное напряжение

, (79)

МПа ≤ [σ] = 140 МПа.

Условие прочности балки выполняется.

4.6 Выбор опоры-стойки металлоконструкции

Определяем:

- суммарный вес секций и жидкости в них:

(3^.М_сек + М_ж) g = (3. 3050 + 800). 9,81 = 97609,5 Н; (80)

- вес диффузора, коллектора и предохранительной сетки:

М_узg = 2. 800·9,81 = 15696 Н; (81)

Реакционный момент в узле крепления балки:

q_p L₃² /12 = 7840,12·4,15² /12 = 11252,2 Н,м. (82)

Момент, вызываемый внецентренным приложением веса коллектора:

М_узg /8 = 2.800^.9,81 /8=17682 Н·м. (83)

Напряжение сжатия:

. (84)

Для изготовления стоек предварительно выбираем трубный прокат с наружным диаметром трубы d_H^C = 127 мм, толщиной стенки 5 мм, d_BH^C = 117мм, площадь сечения S_сеч = 19,2 см², момент сопротивления:

, (85)

см³.

Тогда

МПа < [σ] = 140 МПа.

Условие прочности выполняется.

4.7 Расчет фланцевого соединения

В аппаратах для разъемного соединения труб и арматуры применяются фланцевые соединения, преимущественно круглой формы. Конструкцию фланцевого соединения применяют в зависимости от рабочих параметров аппарата. Для труб и арматуры при и применяют фланцы плоские приварные с соединительным выступом по ГОСТ 12830-67 [5, с. 211]. Конструкция выбранного фланца приведена на рисунке 5.