Гидродинамический расчет сетевого подогревателя

Определяем число Рейнольдса для потока воды в патрубках:

Коэффициент сопротивления трения:

Суммарный коэффициент сопротивления участка входа.

Где.

— местное сопротивления поворота во входной и выходной камерах, принятое равным 1,5.

Потеря давления сетевой воды на участке входа.

Коэффициент сопротивления трения в трубках в трубках подогревателя:

Где.

— местное сопротивления входа в трубки из камеры, принятое равным 0,5.

местное сопротивления выхода из трубок в камеру, принятое равным 1.

— местное сопротивления поворота потока, принятое равным 2,5[3].

Потеря давления сетевой воды на втором участке:

Общее гидравлическое сопротивление подогревателя.

Расчет на прочность подогревателя сетевой воды ПСГ-6000

Расчет цилиндрической обечайки (корпуса).

Допустимое напряжение стали Ст. 3сп при температуре стенки tст=67,7°С.

— номинальный внутренний диаметр цилиндра Номинальная толщина стенки цилиндрической обечайки корпуса.

Где.

— расчетное давление, МПа;

— расчетный коэффициент прочности сварного шва, принятый равным 0,65;

С учетом поправки принимаем номинальную толщину стенки равной:

= 0,009 м.

Данная формула справедлива при условии:, что в нашем случае выполняется.

Где С — прибавка к расчетной толщине стенки, равная -0,001 [Галашов].

Затем определяется максимально допустимое избыточное рабочее давление среды в подогревателе:

При поверочном расчете определяется действующее напряжение:

Наибольший допускаемый диаметр неукрепленного отверстия определяется по формуле:

Поскольку диаметр отверстий в обечайке больше, чем, отверстия нуждаются в укреплении патрубками — штуцерами. Наименьшая толщина стенки штуцера, необходимая для восприятия внутреннего давления, рассчитывается по формуле:

Фактическая толщина стенки патрубка.

Где.

• — внутренний диаметр патрубка;
• — наружный диаметр патрубка.

Высота укрепляющего патрубка-штуцера определяется по зависимости:

Расчет выпуклых крышек и днищ.

Высота цилиндрической части днища h обычно принимается равной 0,25D.

Радиус кривизны в вершине днища равен:

Следовательно, тип днища — сферическое, так как.

Номинальная толщина стенки выпуклого днища:

С учетом поправки принимаем толщину стенки выпуклого днища, равной 0,09 м.

Определяется максимально допустимое рабочее давление по соотношению:

Расчет болтов и шпилек фланцевого соединения.

Диаметр шпилек для рабочих условий определяем по табл 7.3 [1].

Выбираем шпильки М 20 с диаметром 20 мм. Допустимое напряжение материала шпилек при температуре стенки поверхности теплообмена подогревателя, равной 67,7 °С согласно табл. 7.2 составляет 203,56 МПа. Поправочный множитель к величине допускаемого напряжения равный:

Окончательная величина допускаемого напряжения:. Примем величину диаметра отверстия под шпильки d0 = 23 мм.

Значение шага шпилек lш выбирается, исходя из опыта эксплуатации и с учетом значения диаметра отверстия под шпильки, и должно находиться при величине расчетного давления в пределе: при P < 2,5 МПа.

Расчетное количество болтов или шпилек определяется по формуле:

Где.

— диаметр болтовой окружности;

— наружный диаметр прокладки;

— толщина прокладки, принятая равной 5 мм;

— ширина прокладки, равная 0,012 м;

Расчетный диаметр прокладки определяется по формуле:

Минимальное усилие на прокладку.

Где.

— эффективная ширина прокладки;

Растягивающее усилие в шпильках:

Расчетное усилие, воспринимаемое шпильками в рабочих условиях:

Напряжение в шпильках в рабочих условиях вычисляется по соотношению:

Что не превышает величину допустимого напряжения.

Расчет фланцев Необходимые для расчета наружного диаметра фланца размеры найдем по табл. 7.9 [1] в зависимости от размера шпилек:

е = 0,035 м;

2а 1 = 0,006 м.

Наружный диаметр фланца определяется по формуле:

Толщину плоского приварного фланца определяем из соотношения:

Рассчитываем плечи моментов сил, действующих на фланец:

Изгибающий момент от усилий, действующих в рабочем состоянии, определяется по формуле:

Момент сопротивления плоского фланца рассчитывается по формуле:

Где.

— редуцированный диаметр отверстия.

Напряжение в теле фланца определяется по соотношению:

Что значительно меньше величины допускаемого напряжения .

Расчет термических напряжений Сила взаимодействия между корпусом и трубками за счет температурных расширений:

Где — модули упругости материала корпуса и трубок, MПа;

Fк, Fт — площадь поперечного сечения корпуса аппарата и его трубок ак, ат — коэффициенты линейного расширения трубок и корпуса аппарата, 1/°С Дtк — разность между рабочей температурой корпуса и температурой окружающей среды:

°С.

Дtт — разность между рабочей температурой трубок и температурой окружающей среды в момент изготовления аппарата:

°С.

Осевая сила, растягивающая корпус и трубки и возникающая под действием давления среды:

Напряжения, возникающие от совместного действия давления сред и разности их температур:

Для корпуса.

Для трубок.

Рассчитанные напряжения превышают допустимые, следовательно, есть необходимость в установке компенсирующих устройств.

Расчет линзовых компенсаторов Принимаем диаметр линзового компенсатора по таблице основных размеров стальных линзовых компенсаторов [1] при внутреннем диаметре корпуса, равном 4м: D=4,3 м.

Осевая реакция компенсатора при принятой толщине линзы определяется по формуле:

Где.

— длина трубок и кормуса аппарата, м;

ак, ат — коэффициенты линейного расширения трубок и корпуса аппарата, 1/°С Дtк — разность между рабочей температурой корпуса и температурой окружающей среды:

°С.

Дtт — разность между рабочей температурой трубок и температурой окружающей среды в момент изготовления аппарата:

°С.

— диаметр корпуса, м.

Деформация одной линзы компенсатора:

Компенсирующая способность компенсатора примерно пропорциональна количеству линз в нем. Расчетное число линз в нем можно определить из выражения:

Напряжение в компенсаторе при его деформации под действием силы равно:

Мпа Что значительно меньше допустимого напряжения стали корпуса.

Расчет трубных досок Сначала производится расчет толщины трубной доски:

Расчет корпуса и днищ аппарата на устойчивость.

Целью расчета является определение критического давления, при котором аппарат может утратить свою цилиндрическую форму и стать эллиптическим или волнообразным. Проведем расчет при скорости пара 10 м/с.

Критическая длина тонкостенной оболочки вычисляется по формуле:

— средний диаметр оболочки,.

При 0,5< L < Lкр критическое напряжение определим по формуле:

Критическое давление найдем по формуле:

Допустимое с точки зрения устойчивости наружное давление равно:

Где коэффициент.

Коэффициент запаса устойчивости равен:

Вибрационный расчет Расчет частоты собственных колебаний трубок пучка.

Рассчитываем массу погонного метра длины трубки:

Массы воды в погонном метре длины трубки:

Для определения присоединенной массы теплоносителя с наружной стороны трубки необходимо рассчитать характеристику пучка:

Тогда коэффициент присоединенной массы.

Присоединенная масса пара:

Полная масса погонного метра длины трубки:

Момент инерции поперечного сечения трубки:

Частотный коэффициент б при первой форме колебаний определяем для четырехпролетной трубки: б = 3,393.

Частота собственных колебаний:

Требование по отстройке частоты выполняется.

Расчет амплитуды колебаний Вычисляем по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара при расчетных условиях: — динамическая вязкость пара; - кинематическая вязкость пара.

Находим число Рейнольдса.

При характеристике пучка S1/S2 = 32.5/22 по [рис. 7,13 Бродов] определяем сначала величину ч = 1,06, а затем величину ??/ч=0,2, откуда находим коэффициент гидравлического сопротивления пучка: ??=1,06· 0,2=0,212.

Далее находим коэффициент аэрогидродинамического демпфирования при колебаниях одиночной трубки в неограниченном объеме теплоносителя:

Вычисляем коэффициент аэродинамического деспфирования по формуле:

Теперь можно рассчитать аэрогидродинамическую составляющую демпфирования.

Скорость пара в узком сечении пучка:

Соответствующее число Рейнольдса:

Далее находиться число Струхаля:

Частота срыва вихрей:

Максимальная амплитуда вихревых колебаний трубок в середине пролета:

Безразмерная частота определяется по соотношению:

Величина G (, или безразмерный нормированный энергетический спектр пульсации скорости, определяются по рис 7.14[1].

Максимальная амплитуда вибрации середины пролета трубки при возбуждении турбулентными пульсациями потока рассчитывается по формуле при значении коэффициента лобового сопротивления сD = 0.26.

Полная максимальная амплитуда вибрации пролета:

Условие отсутствия соударений выполняется, так как.

Осевой момент сопротивления:

Максимальное напряжение в металле трубки:

Значение максимальное напряжение в металле трубки значительно меньше допускаемого напряжения.