Основы конструирования корпусных деталей теплотехнического оборудования

Теплообменные и тепломассообменные аппараты по конструкции и назначению разнообразны, но в основном состоят из типовых деталей и узлов: корпусов (обечаек), днищ, крышек, фланцев, патрубков и штуцеров и т.д.

Корпуса теплообменного оборудования.Корпус (обечайка) теплообменного аппарата представляет собой оболочку, вмещающую взаимодействующие между собой теплоносители в контактных (смесительных) аппаратах, а также трубный пучок в поверхностных аппаратах.

Проектирование корпусов аппаратов, работающих под давлением, производится в соответствии с требованиями ОСТ 26291–94.

Форма корпуса определяется функциональным назначением аппарата, конструктивными и технологическими требованиями и может быть цилиндрической, коробчатой и др. Корпуса большинства теплообменных аппаратов представляют собой цилиндры, внутри которых размещены трубки поверхности теплообмена и циркулирует теплоноситель. Достоинствами цилиндрических обечаек являются простота изготовления и рациональный расход материала. Цилиндрические обечайки сосудов и аппаратов могут изготовляться из цельной трубы соответствующей длины (при диаметре кожуха, на превышающем 600 мм) или выполняются из стальной листовой заготовки, края которой соединяются продольным сварным швом.

Цилиндрические аппараты находят применение как в вертикальном, так и в горизонтальном исполнении. При вертикальном исполнении цилиндрических аппаратов исключаются дополнительные изгибающие напряжения в корпусе от силы тяжести аппарата и среды, имеющие место в горизонтальных аппаратах, лежащих на отдельных опорах.

Аппараты с корпусами коробчатой формы [с плоскими стенками] применяются для работы при невысоких давлениях. Такими аппаратами чаще всего являются сушилки, фильтры и т.д.

В качестве материала корпусов теплообменников, омываемых неагрессивными средами, чаще всего используются качественные углеродистые стали марок Ст3сп и 20К.

Корпуса теплообменников могут испытывать воздействие термических напряжений, возникающих вследствие различных температурных удлинений трубного пучка и корпуса. Для уменьшения этих напряжений предусматривается использование компенсаторов.

Толщина стенок корпуса рассчитывается исходя из допускаемых напряжений, а также из условий устойчивости формы. Для придания жесткости корпуса больших размеров усиливаются приварными ребрами.

Водяные камеры и днища теплообменных аппаратов.Водяные камеры предназначены для подвода и отвода жидкости, а также распределения ее по трубкам поверхности теплообмена аппарата. Водяные камеры, омываемые неагрессивными средами, изготавливаются из стали марок 20К и 22К и присоединяются к корпусам аппаратов при помощи сварного или фланцевого соединения. Форма поперечного сечения водяных камер определяется компоновкой трубного пучка и размерами корпуса аппарата и должна обеспечивать минимальные напряжения в металле, а также возможно более низкие гидравлические сопротивления. В зависимости от числа ходов жидкости в аппарате водяные камеры разделяются глухими перегородками на необходимое число отсеков.

Если водяные камеры теплообменников выполняются сварными, составляющими единое целое с корпусом, что позволяет сохранить высокую герметичность аппарата, то крышки водяных камер необходимо выполнять съемными.

Для аппаратов с цилиндрическими корпусами применяются днища (крышки) эллиптические, торосферические, полусферические, конические и плоские. Днища стандартизированы и унифицированы по диаметрам обечаек.

В аппаратах, работающих под давлением, рекомендуется применять отбортованные днища. Борт – это цилиндрическая часть днища. Благодаря отбортовке, сварной шов при присоединении днища к обечайке выносится за пределы опасной зоны и тем самым не нагружается дополнительно на изгиб. Толщина стенки выпуклой части днища обычно принимается равной толщине борта для того, чтобы напряжения в обеих частях днища были одинаковыми.

Наименьшую расчетную толщину имеют полусферические днища. Однако стоимость их изготовления наиболее высока.

Широкое распространение в аппаратостроении получили эллиптические отбортованные днища. Тип и основные размеры стальных эллиптических днищ выбираются в соответствии с ГОСТ 6533–78. Для обечаек аппаратов, изготовляемых из листового проката, за базовый размер днищ диаметром 250…4500 мм принят внутренний диаметр. При использовании в качестве обечаек стандартных труб для днищ диаметром 133…720 мм базовым размером служит наружный диаметр труб [особенности выбора размеров разберем на практике]. Днища эллиптические отбортованные алюминиевые выбирают по ГОСТ 26421–90.

Конические днища чаще всего используются при необходимости удаления из аппаратов сыпучих твердых материалов или жидких материалов с большим содержанием твердых веществ. Конические днища могут изготовляться как без отбортовки, так и с отбортовкой.

Конические днища без отбортовки рекомендуется применять с углом при вершине 60, 90 и 120° (ГОСТ 12620–78). Такие днища можно использовать для сосудов и аппаратов диаметром 273…3000 мм под налив или работающих под давлением не выше 0,07 МПа при отсутствии токсичных, взрыво- и огнеопасных сред, а также сжатых, сжиженных или растворенных газов. Днища можно изготовлять из углеродистой, легированной или двухслойной стали [двухслойная листовая сталь имеет основной слой из углеродистой или низколегированной стали, а плакирующий (защитный) – из коррозионно-стойких сплавов [3]] с толщиной стенки 4…12 мм.

Для аппаратов диаметром 273…3000 мм, работающих под давлением, рекомендуется применять конические отбортованные днища с углами при вершине 60 и 90° (ГОСТ 12619–78). Днища могут быть изготовлены из углеродистой, легированной и двухслойной сталей с толщиной стенки 4…30 мм.

Плоские днища дешевы и просты в изготовлении. Они обычно применяются в аппаратах под налив. В аппаратах, работающих под давлением, плоские днища диаметром более 500 мм применять не рекомендуется.

Плоские днища изготовляют отбортованными и неотбортованными. Днища плоские отбортованные (ГОСТ 12622–78) предназначены для вертикальных сосудов и аппаратов внутренним диаметром от 400 до 4000 мм, работающих под налив. Эти днища могут быть изготовлены из углеродистой, легированной и двухслойной сталей с толщиной стенки 4…10 мм. Днища плоские неотбортованные (ГОСТ 12623–78) предназначены для вертикальных и горизонтальных сосудов и аппаратов диаметром 273…4000 мм под налив. Плоские неотбортованные днища могут изготовляться из углеродистой и легированной сталей с толщиной стенки 3…12 мм.

Для аппаратов, изготовленных из листового проката, за базовый размер плоских днищ диаметром 400…4000 мм принят внутренний диаметр D_вн. При использовании труб в качестве корпусов аппаратов за базовый размер (для днищ отбортованных диаметром 630…1020 мм и днищ неотбортованных диаметром 273…1020 мм) принят наружный диаметр трубы D_н.

Патрубки.Патрубки подвода и отвода теплоносителей обычно изготавливаются из стандартных труб, которые привариваются к кожуху. В том случае, когда требуется равномерное распределение теплоносителя по длине или периметру корпуса, а также защита трубок от динамического воздействия потока, применяются специальные конструктивные элементы – концентрические рассекатели, пароотбойные щиты, паровые рубашки и др. Патрубки могут иметь фланцы для присоединения подводящих и отводящих трубопроводов. Чаще всего патрубки изготовляются из того же материала, что и корпус теплообменника.

Литература

1. Справочник по теплообменным аппаратам паротурбинных установок / Ю.М. Бродов, К.Э. Аронсон, А.Ю. Рябчиков, М.А. Ниренштейн; под общ. ред. Ю.М. Бродова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 480 с.

2. Альперт, А.З. Основы проектирования химических установок: Учебное пособие / А.З. Альперт. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1989. – 304 с.

3. http://www.ngpedia.ru/id476875p2.html

4. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: “Машиностроение”, 1970. – 752 с.