Расчет вакуум-выпарного аппарата с термокомпрессором. Содержание. Состояние вопроса
 Скачать 1.5 Mb.
|
|
2.5 Конструктивный расчет проектируемого аппарата Число нагревательных трубок n, шт., определяем по формуле  , (18)где  – рабочая площадь теплообмена, м2; м – внутренний диаметр трубки; – рабочая высота труб, м.Подставляя в формулу (18) числовые значения получим  шт.Диаметр корпуса аппарата D, м, определяем по формуле  , (19)где  – шаг между трубками, м. определяется как , (20)где  – наружный диаметр трубок, принимаем равным 0,038 м; - при размещении труб по вершинам правильного треугольника; – коэффициент использования трубной доски. Принимаем равным 0,85.Подставляя имеющиеся данные в формулу (19) получим  =0,2 м.Принимаем диаметр корпуса греющей камеры равным 0,4 м. Диаметр циркуляционной трубы D2, м, определяем по формуле  , (21)где  – площадь сечения циркуляционной трубы, м2. Определяем следующим образом , (22)где  – площадь сечения трубок, м2. Определяем по следующей формуле , (23)где  - внутренний диаметр трубок, м. принимаем равным 0,034 м.Последовательно подставляя числовые значения в формулы (23), (22), (21) получим  м2, м2, м.Принимаем диаметр циркуляционной трубы равным 0,1 м. Скорость движения молока в трубах v, м/с, определяем по формуле  , (24)где  – объемный расход молока, м3/с.Подставляя имеющиеся данные в формулу (24) получим  м/с.Скорость движения молока в аппарате  , м/с, определяем по формуле м/с. (25)Расчетную длину трубок l, м, определяем по формуле  м.При размещении трубок необходимо обеспечить максимальную компактность, плотность и прочность их крепления, простоту разметки, изготовления трубной решетки и сборки трубного пучка. Этим требованиям отвечает разметка труб по вершинам правильных шестиугольников. Число труб по диагонали nд, шт., определяем по формуле  . (26)Подставляя числовые значения в формулу (26) получим  шт.Число труб на стороне шестиугольника nс, шт., определяем по формуле  шт. (27)Толщину трубной решетки Sт.р., м, определяем по формуле  .Паровой объем выпарного аппарата над молоком должен обеспечить достаточно полное отделение вторичного пара от капель упаренного молока. Необходимый объем парового пространства Vп, м3, определяем по формуле  , (28)где  – производительность аппарата по испаряемой влаге, кг/ч; – допустимое напряжение парового пространства кг/(м3·ч). Определяем по формуле , (29)где  – коэффициенты, зависящие от давления вторичного пара в паровом объеме и от уровня раствора над точкой ввода парожидкостной смеси; кг/(м3·ч) – значение допустимого напряжения парового пространства.Подставляя имеющиеся данные в формулы (29), (28) получим  кг/(м3·ч). .Для определения диаметров штуцеров, зададимся следующими данными: скорость движения греющего пара wг.п. = 50 м/с; скорость движения конденсата wконд. = 0,5 м/с; скорость движения вторичного пара wвт.п. = 50 м/с; скорость движения поступающего молока wм = 2 м/с; скорость движения упаренного молока wм. = 0,5 м/с. Диаметр штуцеров di, м, определяем по формуле  , (30)где  – расход каждого компонента, кг/с; – плотность каждого компонента, кг/м3; – скорость движения каждого компонента, м/с.Подставляя данные в формулу (30) получим - диаметр штуцера входа греющего пара  м;- диаметр штуцера выхода конденсата  м;- диаметр штуцера выхода вторичного пара  м;- диаметр штуцера для входа молока  м;- диаметр штуцера для выхода упаренного молока  м.2.5.1 Прочностной расчет выпарного аппарата Определим толщину корпуса аппарата S, м, по следующей формуле  , (31)где  – принятый диаметр аппарата, м; – давление в межтрубном пространстве, МПа; – допускаемое напряжение материала корпуса, МПа. Принимаем равным 132 МПа для стали ВСт3пс; [8, стр. 105] – коэффициент прочности сварного шва. Принимаем равным 0,7; [8, стр. 102] – прибавка на коррозию, м. принимаем равной 3·10-3 м. [8, стр. 102]Подставляя имеющиеся данные в формулу (31) получим  м.Принимаем толщину корпуса аппарата равной 4 мм. Определим суммарное осевое усилие в корпусе и трубках греющей камеры, возникающих от температуры Qt, по следующей формуле  , (32)где  ,  –давление в корпусе аппарата и сепараторе соответственно, МПа;. Задаемся давлением в сепараторе равным 0,02 МПа.Подставляя имеющиеся данные в формулу (32) получим  МПа.Осевые усилия в греющей камере аппарата и трубках определяем по следующим формулам соответственно  , (33) , (34)где  ,  – модуль упругости материала корпуса и трубок, МПа. Принимаем 2·105 МПа; ,  – площадь сечения трубок и корпуса соответственно, м2.Площадь сечения трубок , м2, определяем по следующей формуле , (35)где  – число трубок, шт.подставляя имеющиеся данные в формулу (33) получим  .Площадь сечения корпуса аппарата , м2, определяем по формуле , (36)где   - средний диаметр корпуса, м. Определяем по формуле , (37)где  – наружный диаметр корпуса аппарата, м. определяем по следующей формуле , (38)где S – толщина стенки корпуса, м. Последовательно подставляя имеющиеся данные в формулы (38-36) получим  м, м, м2.Подставляя имеющиеся данные в формулы (33-34) получим  МПа, МПа.Проводим проверку  МПа.Условия выполняются. Определим силовое воздействие труб на корпус аппарата следующим образом  , (39)где  ,  – коэффициент температурного расширения материала трубок и корпуса аппарата соответственно, 1/ºС. Принимаем для материала Ст3 равным 13,0·10-6 1/ºС при температуре от 0 до 100ºС; – расчетная длина труб, м; ,  – разность рабочей и монтажной температур трубок и корпуса аппарата, ºС. Зададимся монтажной температурой - 20ºС, рабочей температурой труб - 98ºС, рабочей температурой корпуса - 94ºС. Соответственно  ,  .Подставляя имеющиеся данные в формулу (39) получим  МПа.Определим суммарное осевое усилие от действия давления и разности температур в корпусе и трубах  МПа. МПа.Определим осевые и окружные напряжения для корпуса аппарата по следующим формулам соответственно  МПа, (40) МПа. (41)Проверяем корпус на прочность по следующему условию  , (42)где  – допускаемое напряжение материала корпуса, МПа. Принимаем равным для стали 132 МПа.Подставляя имеющиеся данные в формулу (42) получим  МПа.Условие прочности выполняется. [8] 2.5.2 Прочностной расчет фланцевых соединений Расчетная нагрузка, действующая от внутреннего избыточного давления (рр.в.), определяется по формуле  , (43)где  – внутреннее избыточное давление, МПа. Принимаем равным давлению в аппарате 0,1033 МПа, - средний диаметр прокладки, м. Определяем по формуле , (44)где  - наружный диаметр прокладки, м, – ширина прокладки, м. Принимаем для плоской неметаллической прокладки при диаметре аппарата менее 1000 мм равной 12 мм. [8, стр. 143]Наружный диаметр прокладки определяем по формуле  , (45)где  – диаметр болтовой окружности фланца, м,а – конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца, м. Принимается в зависимости от наружного диаметра болта. Для аппарата диаметром 400 мм и давлением менее 0,6 МПа принимаем болты с наружным диаметром 20 мм. Следовательно конструктивная добавка для размещения гаек равна 40 мм. [8, стр. 142] Диаметр болтовой окружности фланца определяем по формуле  , (46)где  – диаметр болта, м, – нормативный зазор между гайкой и обечайкой. Принимаем равным 8 мм, – внутренний диаметр свободного кольца, м. Определяем по формуле , (47)где  – толщина втулки фланца, м. Принимается равной или больше толщины стенки аппарата. Принимаем равной 0,006 м.Последовательно подставляя имеющиеся данные в формулы (47-43) получим  , , , , .Усилие, возникающее от разности температур фланца и болта в период эксплуатации, определяем по формуле  , (48)где  – коэффициент, значение которого определяем по рис. 10 в зависимости от диаметра аппарата. Принимаем равным 0,025 1 – плоский фланец, 2 – угловой фланец Рисунок 13 – Диаграмма для определения коэффициента – число болтов, шт. Определяем по формуле , (49)где  – рекомендуемый шаг расположения болтов. Определяем по следующей формуле мм, (50) – площадь поперечного сечения болта, м. Определяем по следующей формуле мм2, (51) – модуль упругости материала болта при рабочей температуре, МПа. Зададимся рабочей температурой фланца 60ºС. Тогда рабочая температура болта равна 0,95*60 = 57ºС. Модуль упругости при данной температуре составляет 1,95·105 МПа, – рабочая температура фланца, ºС. Принимаем равной 60ºС, ,  – коэффициент линейного расширения соответственно для фланца и болта при рабочей температуре, 1/ºС. Принимаем равными соответственно для стали 12Х18Н12Т при температуре от 20 до 100ºС 16·10-6 1/ºС.Подставляя имеющиеся данные в формулы (49-48) получим  шт., МПа.Расчетное осевое усилие для болтов принимают большим из решений следующих трех уравнений  , (52) , (53) . (54)где  ,  ,  – соответственно усилие, действующее на болты при предварительном обжатии прокладок, усилие затяжки болтов при монтаже и предельное усилие, действующее на болты при эксплуатации, – эффективная ширина прокладки, м. При  м  м, – удельная нагрузка на прокладку, МПа. Для резиновой прокладки принимаем равным 2,5 МПа, [5, стр. 402], – отношение допускаемых напряжений для материалов фланцев и болтов. Выбирают меньшее из отношений   – коэффициент жесткости фланцевого соединения. Для случая с резиновыми прокладками приравнивается 1, – расчетная сила осевого сжатия фланцев, требуемая для обеспечения герметичности соединения, МПа. Определяем по формуле , (55)где  – коэффициент, зависящий от конструкции и материала прокладки. Принимаем равным 0,6. [5, стр. 402]Последовательно подставляя имеющиеся данные в формулы (55-52) получим  МПа, МПа, МПа, МПа.Принимаем  МПа.Выполним проверку прочности болтов по условию  , (56)где  – допускаемое напряжение для материала болтов при температуре, соответствующей действию максимальной нагрузки  , т.е. при температуре 57ºС. Принимаем равным 224,74 МПа.Подставляя имеющиеся данные в формулу (56) получим  .Условие прочности болтов выполняется. Проверим прочность прокладок по следующей формуле  , (57)где  – допускаемая удельная нагрузка на прокладку. Принимаем равной 18 МПа. [5, стр. 402]Подставляя имеющиеся данные в формулу (57) получим  .Условие прочности прокладки выполняется. |