Politechnika Warszawska
Wydział Inżynierii Środowiska
Podstawy konstrukcji mechanicznych
Pojemnościowy wymiennik ciepła.
Wykonała:
Anna Płocka COWiG 3
I. Parametry wymiennika.
II. Obliczenia wymiennika:
Obliczanie wymiarów głównych zbiornika
Obliczenia wymiarów blachy na zbiornik.
Obliczenia grubości blachy zbiornika.
Obliczenia grubości ścianki dennicy zbiornika.
Obliczenia grubości ścianki głowicy.
Obliczenia grubości ścianki dennicy głowicy.
Dobór kołnierza ściany sitowej.
Dobór króćców.
III. Wzmocnienia otworów.
IV. Obliczenia ściany sitowej.
PARAMETRY WYMIENNIKA
- ciśnienie obliczeniowe dla zbiornika
- ciśnienie obliczeniowe dla głowicy
- pojemność całkowita zbiornika Vc=2,0 [m3]
- średnica wewnętrzna zbiornika Ddi=1100 [mm]
- temperatura obliczeniowa dla zbiornika
- temperatura obliczeniowa dla głowicy
- okres eksploatacji wymiennika
OBLICZANIE GŁÓWNYCH WYMIARÓW ZBIORNIKA
L=1,8
L0=3,5~3,46
OBLICZENIE GRUBOŚCI ŚCIANEK PŁASZCZA ZBIORNIKA - Stal P275N.
Rp0,250=264N/mm2, Rp0,2100=245N/mm2, Rm=390-510 N/mm2,
Dla temp. 80oC Rp=252,6 N/mm2
odchyłka na korozję c=s*τ=20*0,04=0,8 mm,
ujemna odchyłka grubości blachy ( z normy dla blach) δe=0,4 mm,
Grubość nominalna
en>e+c+ δe=3,24+0,8+0,4=4,44 mm.
en=4,5
eex=4,5-4,44=0,06 mm
OBLICZENIA GRUBOŚCIA DENNICY PŁASZCZA ZBIORNIKA
es - wymagana grubość dna ze względu na naprężenia membranowe w centralnej części dna.
e y - wymagana grubość wyoblenia dla uniknięcia osiowo-symetrycznego płynięcia materiału.
eb - pożądana grubość wyoblenia dla uniknięcia wyboczenia plastycznego.
odchyłka na korozję c=s*τ=20*0,04=0,8 mm,
ujemna odchyłka grubości dennicy ( z normy dla blachy o grubości 6 mm) δe=0,6 mm,
Pocienienie grubości ścianki podczas procesu wytłaczania dna przyjęto w wielkości:
δm= 0,1*emin=0,1*(7-0,7)=0,63 mm
Grubość nominalna
en>e+c+ δe+ δm =2,91 +0,8+0,63+0, 6=5,04mm.
Nadwyżka ekstra grubości:
eex=7-5,04=1,96 mm
Przyjęto en=7,0 mm
Obliczenie grubości ścianki płaszcza głowicy:
średnica zewnętrzna głowicy zbiornika De=356 mm,
z=0,7,
materiał płaszcza głowicy wykonanej z rury bez szwu: stal grupy 1.1 nr1.0345, -P235GH
Rp0,2100=190N/mm2, Rp0,2150=180N/mm2, Rp0,2110=188 N/mm2,
Rm=360 N/mm2,
A5=25%
Minimalna praca łamania w temperaturze 0˚C ( udarność)=40J
maksymalna temperatura głowicy wyniesie Td = +110˚C, dla tej temperatury
fd =min(112,8; 135)
Ze względów technologicznych( spawanie kołnierza o dużej grubości) przyjęto rurę bez szwu w/g PN-80/H-74219 o grubości en=10 mm.
odchyłka na korozję c=s*τ=20*0,04=0,8 mm,
dodatnia i ujemna odchyłka grubości y ( z normy dla rur) wynosi +/-15% grubości nominalnej to znaczy δe=1,5 mm,
Grubość nominalna:
en>e+c+ δe=1,81 +0,8+1,5=4,02 mm.
Przyjęto en=10 mm
Nadwyżka ekstra grubości: eex=10-4,01=5,89 mm
Obliczenie grubości dennicy głowicy zbiornika:
R=0,9*Di=0,9*336=302 mm
es - wymagana grubość dna ze względu na naprężenia membranowe w centralnej części dna.
ey=wymagana grubość wyoblenia dla uniknięcia osiowo-symetrycznego płynięcia materiału
eb - pożądana grubość wyoblenia dla uniknięcia wyboczenia plastycznego.
r/Di=0,17
Gdzie fb - naprężenia projektowe dla wyboczenia:
fb=241/1,5=160,66 MN/m2
przyjęto największą wartość: ey=1,534 mm
odchyłka na korozję c=s*τ=20*0,04=0,8 mm,
ujemna odchyłka grubości dennicy (dla blachy o grubości 4,5 mm) δe=0,4 mm,
Pocienienie grubości ścianki podczas procesu wytłaczania dna przyjęto w wielkości:
δm= 0,1*emin=0,1*(4,5-0,4)=0,41 mm
Grubość nominalna:
en>e+c+ δe+ δm =1,44 +0,8+0,5+0,41=3,15mm.
Nadwyżka ekstra grubości:
eex=4,5-3,15=1,35 mm
Przyjęto en=4,5 mm
Dobór króćców
Przyjęto według PN-ISO 7005-1 kołnierz typu 01(płaski, spawany)
średnica króćca wody grzejnej
DN=100 mm
Dzew=220 mm,
średnica podziałowa śrub K=180 mm
Średnica otworów pod śruby L=18 mm,
Przyjęto 8 śrub M16
Średnica zewnętrzna rury A=114 mm,
Średnica otworu kołnierza B1=116 mm,
Grubość kołnierza C1=22 mm.
Liczba śrub = 8 stal 4.8 Re=320 MN/m2
Gwint M16
średnica króćca wody ciepłej
DN=100 mm
z normy na kołnierze znalazłam średnicę rury
Przyjęto według PN-ISO 7005-1 kołnierz typu 01(płaski, spawany)
Dzew=210 mm,
średnica podziałowa śrub K=170 mm
Średnica otworów pod śruby L=18 mm,
Przyjęto 4 śruby M16
Średnica zewnętrzna rury A=114 mm,
Średnica otworu kołnierza B1=116 mm,
Grubość kołnierza C1=18 mm.
Liczba śrub = 4 stal 4.8 Re=320 MN/m2
Gwint M16
średnica króćca zaworu bezpieczeństwa
DN=20mm
Dzew=90 mm,
Średnica zewnętrzna rury A=26,9 mm,
Średnica otworu kołnierza B1=27,5 mm
Grubość kołnierza C1=14mm.
średnica króćca termometru
M20x1,5
Przyjęto według PN-ISO 7005-1 kołnierz typu 01(płaski, spawany)
Dzew=90 mm,
Średnica zewnętrzna rury A=26,9 mm,
średnica króćca manometru
M20x1,5
Przyjęto według PN-ISO 7005-1 kołnierz typu 01(płaski, spawany)
Dzew=90 mm,
Średnica zewnętrzna rury A=26,9 mm,
średnica króćca cyrkulacyjnego
2'' DN50
Dzew=140mm
Średnica zewnętrzna rury DAe=60,3 mm,
średnica króćca spustowego
DN=25mm
Przyjęto według PN-ISO 7005-1 kołnierz typu 01(płaski, spawany)
Dzew=100 mm,
Średnica zewnętrzna rury A=33,7 mm,
WZMOCNIENIA OTWORÓW
Obliczenia pokazane na przykładzie:
1. Króciec wody grzejnej
en=4,5mm - grubość płaszcza walczaka
c=0,8mm - odchyłka na korozję
Demin=DAi-15%en=113,3mm
Demax=DAi+15%en=115mm
ujemna odchyłka grubości δe=0,125*4,5=0,5625 mm
eex=en-e-c- δe
eex=4,5-0,41-0,8-0,5625=2,73 mm
eb=eex=2,73 mm
eab=eex+e = 2,73+0,41=3,14 mm
Szerokość pola biorącego udział we wzmocnieniu wynosi:
Przyjęto lso=60 mm
Długość króćca wspawanego, biorącego udział we wzmocnieniu (od strony zewnętrznej):
a dł. króćca od strony wewnętrznej
di= 113-2*4,5=104,3mm
Sprawdzenie stosunków grubości
2ri=2*550+33=1103,3mm
dla tego stosunku średnic, stosunki grubości nie mogą przekraczać 2 :
warunek spełniony
dla tego samego stosunku średnic z wykr. 9.4-15 stosunek grubości dla produkcji:
warunek spełniony.
Ogólne równanie wzmocnienia
W I podejściu nie uwzględniamy wzmocnienia - Afp=0. Również człon Apφ=0, bo króciec prostopadły do powłoki.
fob= min(fs; fb) = min(146,2;119,76) =119,76 MN/m2
fop= min(fs; fp) = 112,8 MN/m2 dla głowicy
dla powłoki walcowej
Równanie jest spełnione - otwór nie wymaga dodatkowego wzmocnienia.
Obliczenia dla kolejnych króćców wykonano analogicznie i przedstawiono w tabeli
Króciec |
De |
Demin |
Demax |
e |
eex=eb |
eab |
lbo |
di |
di/2ri |
eb/eas |
lb1 |
wody grzejnej |
114 |
113 |
116 |
0,58 |
7,37 |
7,95 |
7,70 |
53 |
27,8 |
92,5 |
363,7 |
Wody ciepłej |
114 |
113 |
115 |
0,41 |
2,73 |
3,14 |
17,4 |
104,3 |
0,095 |
0,827 |
8,686 |
Zaworu bezpieczeństwa |
26,9 |
26 |
28 |
0,10 |
3,04 |
3,14 |
8,4 |
17,2 |
0,016 |
0,921 |
4,197 |
termometru |
26,9 |
26 |
28 |
0,10 |
3,04 |
3,14 |
8,4 |
17,2 |
0,016 |
0,921 |
4,197 |
manometru |
26,9 |
26 |
28 |
0,10 |
3,04 |
3,14 |
8,4 |
17,2 |
0,016 |
0,921 |
4,197 |
cyrkulacyjny |
60,3 |
60 |
61 |
0,22 |
2,92 |
3,14 |
12,9 |
50,6 |
0,046 |
0,885 |
6,434 |
spustowy |
33,7 |
33 |
34 |
0,12 |
3,01 |
3,14 |
9,5 |
24,0 |
0,022 |
0,914 |
4,756 |
Dla wody grzejnej
eab=3,3 eab=7,95
lob=60 lob=27,8
2*ri=1103,3 2*ri=363,7
Króciec |
Afs |
Afw |
Afb |
a |
As |
Aps |
Apb |
lewa |
prawa |
Pmax |
wody grzejnej |
407,641 |
59,321 |
364,371 |
46,250 |
17881,356 |
18237,573 |
1643,470 |
110673,672 |
11928,626 |
4,62 |
Wody ciepłej |
198,000 |
10,890 |
80,104 |
52,163 |
61823,970 |
61996,106 |
1078,282 |
39830,022 |
37844,633 |
0,63 |
Zaworu bezpieczeństwa |
198,000 |
10,890 |
48,297 |
8,613 |
37819,210 |
37847,631 |
100,718 |
36116,238 |
22769,009 |
0,95 |
termometru |
198,000 |
10,890 |
48,297 |
8,613 |
37819,210 |
37847,631 |
100,718 |
36116,238 |
22769,009 |
0,95 |
manometru |
198,000 |
10,890 |
48,297 |
8,613 |
37819,210 |
37847,631 |
100,718 |
36116,238 |
22769,009 |
0,95 |
cyrkulacyjny |
198,000 |
10,890 |
65,999 |
25,313 |
47024,250 |
47107,781 |
409,250 |
38183,097 |
28510,219 |
0,81 |
spustowy |
198,000 |
10,890 |
52,966 |
12,013 |
39693,290 |
39732,931 |
153,904 |
36661,384 |
23932,101 |
0,92 |
ris2=551,2
dla wody grzejnej ris2=180,3
OTWÓR w DENNICY DLA GŁOWICY
De=355,6mm; odchyłka średnicy +1,5%;
Demax=360,9 mm
Demin=350,2 mm
Odchyłka grubości ścianki -15%
Grubość ścianki e=10,0 mm; δe=1,5 mm
Naddatek na korozje i erozję c=0,8 mm
Przyjęto materiał rury L235GA:
Re=235 MN/m2 Rp0.270=199,6 MN/m2 Rm=360 MN/m2; A=23%
f=112,8MN/m2
grubość ścianki rury
eex=10-1,366-0,8-1,5=6,334 przyjęto 6,33 mm
Dla dennicy : en=7 mm; c=0,8mm; δe=0,7mm; δm=0,63mm; e=2,91 mm
eex=7-0,8-0,7-0,63-2,91=1,96mm
eas=e+eex=2,91+,96=4,87 mm
materiał jak dla płaszcza: P275N Re=275 Rp0.270=256,4
f=min (153,8; 146,2) = 146,2 MN/m2
W dennicy wykonujemy tylko jeden otwór - otwór można traktować jako pojedynczy.
Dla dna eliptycznego :
Przyjęto lso=98 mm.
Z wykonanego w skali rysunku otrzymano wielkość kąta φ=11o
kąt φ<arc sin(1-δ) φ<56,49o - warunek jest spełniony
Ponieważ króciec nie jest wspawany prostopadle do powierzchni powłoki, ale równolegle do osi, należy w obliczeniach uwzględnić:
Wymiar
(rzut połowy średnicy na styczną do powłoki), oraz powierzchnię
di=360,9-2*10=240,9 ri=2*ris+eas=2*0,9*1100+4,87=1984,9mm
Dla di/2ri = 0,8587 eb=eex=1,3006 eb/eas
2 i 7,7/4,87<2
warunek spełniony
eab=eex+e=6,33+1,366=7,7 mm
długości króćców do obliczeń wzmocnienia:
lbi=0,5*lbo=23,33mm Afs=76*4,87=477,26 mm2 Afb=(lbi+eas+lbo)*eab=364,64
Afw=2*(4,872/2)=23,71
Promień powłoki ri=0,9*Di+eas=0,9*1100+4,87=994,87
Pole przekroju takiej powłoki ma pole
obwód
Wycinek takiego koła o długości a+lso=276,38mm ma przekrój
z ogólnego wzoru na wzmocnienie sprawdzamy:
(Afs+Afw)(fs-0,5P)+Afp*(fp-0,5P)+Afb(fob-0,5P)
P(Aps+Apb+0,5*Apφ)
(477,26+23,71)(112.8-0.3)+Afp(fp-0,5p)+364,64(112,8-0,3)
0,6(137479,7+8627,8+0,5*11919,4)
97381,64+Afp(fp-0,3)
91240,3
Afp=0
Warunek spełniony
ŚCIANA SITOWA
Stal 1.1 P275N
t=1300C
Rp02130=233,6 N/mm2
Przymuję dla ciśnienia 0,8 MPa według PN-ISO 7005-1 kołnierz:
Średnica nominalna: DN = 350 mm
Średnica zewnętrzna: D = 505 mm
Średnica podziałowa śrub: K = 460 mm
Średnica otworów pod śruby: L = 22 mm
Średnica otworu kołnierza: B1 =359,5 mm
Grubość kołnierza: C1 = 28 mm
Założono średnicę
p = 30mm p - podziałka,
dt = 20mm dt - średnica rurki
Digłowicy = 356mmm ,
ro = 4 *35 = 140 mm
Do = 2ro + dt
Do = 2 * 140 +20 = 300mm
założona średnica D0=300m
Dla przypadku, kiedy występuje ciśnienie wody zarówno w sieci jak i w instalacji wodociągowej grubość ściany sitowej można policzyć z następującej zależności:
Dla przypadku, kiedy ciśnienie wody wodociągowej spadnie do zera Ps = 0
Założono, że rurki wężownicy będą wykonane z rury stalowej o średnicy zewnętrznej dt=21,3 mm wg PN-74/H-74209. Minimalna grubość ściany sitowej
ea ≥ 0,75 * dt
ea ≥ 15 mm.
Ze względów technologicznych założono minimalną grubość ściany sitowej wykonanej z blachy wg PN-80/H-92200 i przyjęto
e = 23 mm.
odchyłka na korozję
dodatnia i ujemna odchyłka grubości y wynosi +0,3/-0,8 mm grubości nominalnej to znaczy
δe = -0,8mm
Grubość nominalna:
Założono, że ścianka będzie korodowała z obydwu stron.
Przyjęto
Uszczelki:
Założono: Gs = Gc = 360 + 25 = 385mm
(Do - średnica tej części ściany sitowej, w której wykonane są otwory rurki, średnica okręgu opisanego na części perforowanej ściany sitowej).
Do = 300 mm
Stosunki średnic ρs, ρc oraz momenty MTS
ρs = Gs / Do = 385 / 300 = 1,28
ρc = Gc / Do = 385 / 300 = 1,28
Gs - średnia średnica uszczelki ściany sitowej od strony płaszcza,
Gc - średnia średnica uszczelki ściany sitowej od strony głowicy.
Moment wynikający z ciśnień Ps oraz Pt działający na wieniec poza rurkami
Dla ciśnienia w płaszczu Ps = 0
dla ściany sitowej
Założono, że:
Lt,x = 10mm, ściana sitowa i rurki wykonane są z materiałów o takich samych własnościach wytrzymałościowych Et = E, ft = f ( dla uproszczenia obliczeń ).
.
Do dalszych obliczeń przyjęto:
d* = 19,3 mm.
Jeżeli jest to tylko jedno pole bez otworów na rurki na średnicy ściany sitowej o szerokości UL.
UL ≤ 4 * p
UL ≤ 4 *35 = 140 mm
UL ≥ 2 * rgmin
rgmin - minimalny promień gięcia rury.
rgmin =2 * dt = 2* 20 = 40mm
UL ≥ 2 * 10 = 40mm
Założono UL = 40 mm
Wartości efektywnych współczynników sprężystości E*/E oraz ν* w funkcji μ* dla różnych wartości stosunku e/p podane są w nomogramie dla rozmieszczenia rurek w wierzchołkach kwadratu.
Dla μ* = 0,48 i e/p = 0,66 mamy E*/E = 0,57 oraz ν* = 0,27.
K = A / Do = 505 / 300 = 1,683
Moment M* działający na pierścień ściany sitowej poza pęczkiem rur.
ponieważ Gs = Gc to M* = MTS
M* = MTS.
Moment Mp działający na obrzeże ściany sitowej
przy założeniu, że ciśnienie w głowicy Pt = 0
Moment Mo działający na środek ściany sitowej
Dla ciśnienia w sieci wodociągowej: Ps = 0
.
Maksymalny moment zginający działający na ścianę sitową
M = 0,00581
Naprężenia zginające w ścianie sitowej.
Maksymalne naprężenia zginające promieniowe w ścianie sitowej.
hg - głębokość rowka pod uszczelkę, założono że hg = 0.
Dla wszystkich rozpatrywanych przypadków naprężenia zginające nie mogą przekraczać wartości 2*f.
2*155,73 MN/m2 = 311, 46 MN/m2
Warunek jest spełniony.
Naprężenia ścinające w ścianie sitowej.
Maksymalne naprężenia ścinające w ścianie sitowej:
Dla wszystkich rozpatrywanych przypadków maksymalne naprężenia ścinające w ścianie sitowej nie mogą być większe od wartości 0,8*f.
.
Warunek jest spełniony.
19
L
L0