Recipiente Si Aparate Tubulare

VASILE PALADE

IOAN I. TEFNESCU

RECIPIENTE I APARATE TUBULARE

EDITURA SEMNE

ISBN 973-654-069-3

Vasile PALADE

Ioan I. TEFNESCU


This work presents the main engineering and design issues for the most important equipments pressured container and heat exchanger types used in food industry processes. The book is use full for mechanical engineers interested in designing, engineering and operating of technological equipments for process industries, as well as for the students of Tehnological Equipments in Food Industry.

Dr. ing. Vasile PALADE

Dr. ing. Ioan I. TEFNESCU


EDITURA SEMNEBucureti, 2000

Copyright 2000, Editura SemneToate drepturile asupra acestei ediii sunt rezervate editurii

In lucrare sunt tratate principalele probleme constructive i de calcul ale celor mai importante utilaje de tip recipient sub presiune i schimbtoare de cldur ntlnite n industriile de proces din industria alimentar. Se prezint teoria general a nveliurilor subiri axial simetrice, construcia i calculul de rezisten al recipientelor sub presiune, innd cont de legislaia n vigoare, i n final construcia i calculul de rezisten a celor mai importante tipuri de schimbtoare de cldur. O atenie deosebit se acord alegerii materialelor metalice i nemetalice utilizate n industria alimentar la execuia recipientelor sub presiune. Cartea este adresat inginerilor mecanici preocupai de proiectarea, construcia i exploatarea utilajelor tehnologice pentru industrii de proces, precum i studenilor de la specializarea Utilaj tehnologic pentru industria alimentar. Lucrarea a fost elaborat astfel: conf. dr. ing. Vasile Palade capitolele 1, 2, 4, 5, 6, 7 i coordonarea tiinific, iar prof. dr. ing. Ioan I. tefnescu capitolul 3.

Tehnoredactare computerizat: Vasile Palade Referent tiinific: Prof.dr.ing. Dumitru Panuru Prof.dr.ing. Iulian-Gabriel Brsan Bun de tipar ISBN 973-654-069-3 Tiprit: Semne

CUPRINS1. NOIUNI DE TEORIA NVELIURILOR SIMETRICE . 1.1 Noiuni elementare privind suprafeele de revoluie . 1.2 ncrcarea elementului de nveli . 1.2.1 Ipoteze de calcul ... 1.2.2 ncrcarea elementului de nveli ... 1.3 Tensiuni n nveli ... 1.4 Ecuaii de echilibru 1.5 Teoria de membran (fr moment). 1.6 Aplicaii ale teoriei fr moment... 1.6.1 nveli sferic . 1.6.2 nveli cilindric . 1.6.3 nveli conic . 1.7 Stabilitatea nveliurilor de revoluie ... 2. ELEMENTE GENERALE PRIVIND RECIPIENTELE CU PERETE SUBIRE 2.1 Generaliti . 2.2 Tipuri constructive 2.2.1 Rezervoare 2.2.2 Recipiente sub presiune cu perete subire . 2.2.3 Aparate tip coloan .. 2.3 Definiii i prescripii generale pentru proiectare ... 2.3.1 Definiii 2.3.2 Baza de stabilire a tensiunilor admisibile .. 2.3.3 Coeficientul de rezisten al mbinrilor sudate ... 2.3.4 Aprecierea cantitativ a rezistenei metalelor la coroziune . 3. MATERIALE UTILIZATE N APARATURA DE PROCES 3.1 Consideraii generale . 3.2 Materiale metalice feroase 3.2.1 Oeluri carbon de uz general pentru construcii ... 9 9 10 10 11 12 14 15 17 17 18 19 21 23 23 23 23 24 26 28 28 29 30 31 32 32 32 32

6


3.2.2 Oeluri destinate tablelor pentru cazane i recipiente sub presiune 3.2.3 Table groase cu condiii speciale de calitate pentru recipiente sub presiune. 3.2.4 Oeluri pentru evi 3.2.5 Oeluri pentru organe de asamblare .. 3.3 Materiale metalice neferoase 3.4 Materiale nemetalice . 3.5 Materiale pentru etanare . 3.6 Materiale utilizate n construcia utilajelor pentru transfer termic ... 4. CALCULUL I CONSTRUCIA ELEMENTELOR RECIPIENTELOR CU PERETE SUBIRE, EXECUTATE DIN LAMINATE DE OEL . 4.1 Generaliti . 4.2 Corp cilindric i conic 4.2.1 Elemente constructive .. 4.2.2 Elemente de calcul ... 4.3 Funduri i capace ... 4.3.1 Forme constructive .. 4.3.2 Elemente de calcul ... 4.4 Asamblri cu flane ... 4.4.1 Generaliti 4.4.2 Forme constructive ... 4.4.3 Flane pentru recipiente... 4.4.4 Calculul asamblrilor cu flane fr contact .. 4.5 Racorduri. Bosaje . 4.5.1 Tipuri constructive 4.5.2 Alegerea racordurilor .. 4.5.3 Alegerea bosajelor 4.6 Guri pentru verificare 4.7 Compensarea orificiilor . 4.7.1 Elemente constructive .. 4.7.2 Domenii de aplicare . 4.7.3 Dimensionarea inelului de compensare 4.8 Aparate de msur i control i dispozitive de siguran .. 4.8.1 Aparate de msur i control .. 4.8.2 Dispozitive de siguran .. 4.9 nclzirea i rcirea recipientelor .. 4.9.1 Cmi de nclzire .. 4.9.2 Serpentine de nclzire . 4.9.3 Izolarea termic a recipientelor ... 4.10 Suporturi pentru recipiente

34 37 39 43 50 51 52 67

69 69 69 69 71 76 77 81 83 83 86 91 104 115 115 118 123 124 127 127 128 129 130 130 133 138 138 139 140 141

Cuprins

7

4.10.1 Suporturi pentru recipiente verticale ... 4.10.2 Suporturi pentru recipiente orizontale 5. DISPOZITIVE DE ETANARE .. 5.1 Generaliti . 5.2 Dispozitive de etanare cu garnitur moale 5.2.1 Elemente constructive .. 5.2.2 Elemente de calcul ... 5.3 Dispozitive de etanare cu inel alunector .. 5.3.1 Elemente constructive .. 5.3.2 Elemente de calcul ... 6. UTILAJE PENTRU AMESTECARE CU DISPOZITIVE ROTATIVE 6.1 Generaliti . 6.2 Tipuri de amestectoare 6.2.1 Amestector cu brae 6.2.2 Amestector tip ancor 6.2.3 Amestector tip elice 6.2.4 Amestector tip turbin disc ... 6.2.5 Amestector tip Impeller . 6.2.6 Amestector cu palete .. 6.2.7 Amestector tip cadru . 6.3. Amplasarea dispozitivelor de amestecare . 6.4. Acionarea i rezemarea dispozitivelor de amestecare . 6.4.1 Acionarea 6.4.2 Rezemarea dispozitivelor de amestecare .. 6.5. Fore care solicit dispozitivele de amestecare rotative 6.6. Arborele amestectorului . 6.6.1 Generaliti 6.6.2 Calculul de rezisten al arborelui .. 6.7 Suportul amestectorului .. 6.8 Calculul puterii necesare amestectoarelor mecanice rotative . 7. UTILAJE PENTRU TRANSFER TERMIC 7.1. Generaliti 7.2 Tipuri principale de schimbtoare de cldur 7.2.1 Schimbtoare de cldur tubulare . 7.2.2 Schimbtoare de cldur netubulare .. 7.3. Construcia i calculul elementelor specifice aparatelor tubulare... 7.3.1 evi 7.3.2 Placa tubular ..

141 146 148 148 148 148 152 156 156 160 163 163 164 165 165 166 167 168 168 169 169 172 172 173 178 181 181 183 184 187 191 191 192 192 196 197 197 198

8


7.3.3 Dispunerea evilor n placa tubular .. 7.3.4 Asamblarea dintre evi i placa tubular ... 7.3.5 Asamblarea dintre placa tubular i manta .. 7.3.6 Calculul plcii tubulare ... 7.3.7 Solicitri n sistemul tubular ... 7.3.8 Compensatoare de dilatare termic ... 7.3.9 Perei despritori i icane .. BIBLIOGRAFIE

199 201 205 207 209 211 213 215

1. NOIUNI

DE TEORIA NVELIURILOR SIMETRICE

1.1. Noiuni elementare privind suprafeele de revoluieCorpul mrginit de dou suprafee curbe avnd distana dintre ele - grosimea s0 - suficient de mic n comparaie cu celelalte dimensiuni, se numete nveli, membran sau manta. nveliurile pot fi nchise sau deschise, de grosime constant sau variabil. In lucrarea de fa se vor studia nveliurile nchise de grosime constant, acestea ntlninduse cel mai des n construcia de utilaje din industriile alimentar, chimic etc. Locul geometric al tuturor punctelor P egal deprtate de suprafeele exterioar i interioar ale nveliului poart denumirea de suprafa median (fig.1.1). nveliurile a cror suprafa median este generat de o curb plan care se rotete, fr alunecare, n jurul axei fixe OO' se numesc nveliuri de revoluie. Punctul de intersecie al suprafeei mediane cu axa de revoluie se numete polul nveliului i se noteaz cu O. Curba care prin rotirea n jurul axei de revoluie formeaz suprafaa median a nveliului se numete curb generatoare. Curba obinut prin Fig. 1.1 intersecia nveliului de revoluie cu un plan ce conine axa de revoluie poart denumirea de meridian. Dup cum se observ din fig. 1.1, meridianul coincide cu curba generatoare. Curba obinut prin intersectarea nveliului de revoluie cu un plan perpendicular pe axa de revoluie este ntotdeauna un cerc i se numete paralel.

10


Suprafaa sferic este generat prin rotirea unui semicerc n jurul diametrului su; suprafaa conic este generat de o dreapt, care se rotete n jurul altei drepte cu care este concurent; suprafaa cilindric circular dreapt rezult prin rotirea unei drepte n jurul alteia, cu care este paralel. Raza de curbur a meridianului ntr-un punct oarecare P (fig.1.1) se numete prima raz principal de curbur a suprafeei mediane n punctul respectiv i se noteaz cu R1 ( ) . Unghiul sub care K1P intersecteaz axa de revoluie se numete deschiderea punctului P i se consider variabil independent; R1 = R1 ( ) . Raza de curbur a curbei obinut prin intersecia suprafeei mediane cu un plan perpendicular pe meridian ntr-un punct oarecare P se numete a doua raz principal de curbur a suprafeei mediane n punctul respectiv i se noteaz cu R 2 . In general rotunjire. Dac se noteaz cu r raza cercurilor paralele atunci rezult: O1 P = r = R 2 sin . Lungimea ds1 a unui element de meridian este: ds1 = PP1 = R1d , iar lungimea ds 2 a unui element de arc paralel:ds 2 = PP2 = R 2 d sin .

R 2 = R 2 ( ) . Dac, ntr-un anumit punct R1 = R2 = R , punctul se numete punct de

(1.1) (1.2) (1.3)

Unghiul se msoar de la un plan meridional de referin, de exemplu de la cel ce trece prin punctul P2. Cu utilizarea relaiilor (1.2) i (1.3) aria elementului suprafeei meridiane, PP1 P3 P2 , se poate exprima astfel:dA = ds1ds 2 = R1 R2 ddsin ,

sau

dA = rR1dd..

(1.4)

1.2. ncrcarea elementului de nveli1.2.1. Ipoteze de calculPrincipalele ipoteze de calcul ale elementului de nveli sunt: a) Grosimea nveliului s 0 este constant i se msoar pe normala la suprafaa median. b) Grosimea nveliului este mic n raport cu celelalte dimensiuni ale nveliului i cu razele de curbur ale suprafeei mediane:

s 0 l s , unde l s este lungimea aleas pentru fasciculul tubular, se recurge la un schimbtor de cldur cu mai multe treceri. Numrul de treceri, i, se determin din relaia: l i= . (7.4) ls Aria de transfer termic efectiv a tuturor evilor este: Ae = d i ln. (7.5)

Deoarece n corpurile cilindrice raportul dintre aria suprafeei laterale A i A l = volumul interior V este egal cu , rezult c, la acelai volum interior, aria A este V di cu att mai mare cu ct diametrul evii este mai mic. Aceasta conduce la concluzia c adoptarea unor evi cu diametru mic are ca efect un consum mai mic de metal pe unitate de arie de transfer termic, deci pre de cost mai mic. Totui, evile cu diametru mic nu pot fi uneori utilizate datorit vscozitii foarte mari a lichidului, depunerilor mari sau corodrii intensive a pereilor.

7.3.2. Placa tubularPlaca tubular servete pentru fixarea evilor fasciculului tubular i este prevzut cu numrul necesar de orificii ce se amplaseaz n funcie de numrul de treceri "i" ale fluidului care circul prin evi. In fig.7.11 se prezint o plac tubular cu o singur trecere (fig.7.11a) i cu dou treceri (fig.7.11b). Placa tubular se execut, de obicei, ca plac plan, dintr-o bucat. In cazuri deosebite (fluide toxice, inflamabile sau puternic corosive, la presiuni i temperaturi ridicate) se poate recurge la plac tubular dubl. De asemenea sunt construcii unde se utilizeaz plac tubular sferic sau elipsoidal.

Cap.7 Utilaje pentru transfer termic

199

Fig. 7.11

7.3.3. Dispunerea evilor n placa tubular a) Pasul de aezare a evilor n placa tubularAcesta se stabilete, n mod aproximativ, la efectuarea calculului termic. Pentru cazul evilor din oel, pasul se poate calcula n funcie de diametru, cu relaia: (7.6) t 1,2d e + 2 [ mm] . In tabelul 7.1 se dau paii de aezare indicai pentru diametrele de evi uzuale. Tabelul 7.1 Diametrul exterior al evii, de, mm Pasul evii, t, mm 25 32 38 48 57 70

Pentru evi cu perei subiri din cupru sau alam pasul se calculeaz cu relaia: p = 1,2 d e [mm].b) Modurile de dispunere a evilor n plcile tubulare In dispunerea evilor n placa tubular trebuie respectate o serie de criterii dintre care cele mai importante sunt: - realizarea unei dispuneri ct mai compacte; - obinerea unei rezistene optime a plcilor tubulare i a unei fixri etane i rezistente a evilor n plci; - execuie tehnologic i ntreinere n exploatare ct mai uoar; - luarea n considerare a proprietilor fluidelor care circul prin aparatul tubular.

200


Fig. 7.12

Dispunerea evilor n placa tubular (fig.7.12) se face dup reele de hexagoane regulate (fig.7.12a), de ptrate (fig. 7.12b), de cercuri concentrice (fig.7.12c) sau de triunghiuri isoscele (fig. 7.12d). Numrul de evi dintr-o reea hexagonal regulat se poate determina cu relaia: (7.7) n 0 = 3a ( a 1) + 1 , n care a reprezint numrul de evi de pe latura celui mai mare dintre hexagoane Pe diagonala celui mai mare dintre hexagoane exist un numr de evi, c, dat de relaia: (7.8) c = 2a 1 , astfel c relaia (7.7) devine: 3 2 no = (c 1) +1 . (7.9) 4 Aezarea perfect hexagonal duce la nefolosirea complet a ntregii suprafee disponibile. Pentru a mri gradul de utilizare al suprafeei plcii tubulare, ndeosebi la a> 8, n sectoarele libere ale plcii se introduc evi suplimentare dispuse n linii paralele cu laturile celui mai mare dintre hexagoane. Prin aceasta gradul de acoperire a plcii tubulare crete cu (10...18) %. Reeaua de ptrate este mai rar ntlnit. Numrul de evi dintr-o astfel de reea, la care c = a, este: (7.10) n = a2 ,0

n care a este numrul evilor situate pe o latur. Pentru a > 6 este indicat ca placa tubular s fie completat cu evi suplimentare. Determinarea numrului de evi suplimentare se face cel mai operativ grafic. Reeaua de cercuri concentrice se utilizeaz rar. Din cauz c pasul dintre evi nu este acelai, diferind ntre circumferine, trasarea plcii tubulare este dificil. De asemenea, n cazul unui numr mare de evi, datorit compactitii mai reduse care caracterizeaz acest tip de dispunere, dimensiunile aparatelor respective sunt mult mai mari dect n cazul dispunerii hexagonale a evilor.


201

Reeaua de triunghiuri isoscele se utilizeaz de obicei la plcile tubulare dreptunghiulare i are avantajul unei trasri i prelucrri relativ uoare. innd seama de direcia i de sensul curgerii fluidului evile se amplaseaz n placa tubular dup un triunghi sau un ptrat. Amplasarea n triunghi (fig.7.13a i b) se utilizeaz cnd sunt necesare suprafee de transfer termic mari i nu se folosete dac este

Fig. 7.13

necesar curirea mecanic din exterior a fasciculului de evi. Amplasarea n ptrate (fig.7.13c i d) se utilizeaz n cazul curirii mecanice a fasciculului. Pasul minim dintre evi se ia 1,25 d e , pentru reeaua de triunghiuri i ( d e + 6) mm pentru reeaua de ptrate. Diametrul gurilor pentru evi, n placa tubular este mai mare dect diametrul exterior al evii i se alege de obicei n limitele: d 0 = ( 1... 1,03) d e .

7.3.4. Asamblarea dintre evi i placa tubularAceast asamblare se poate realiza demontabil sau nedemontabil. Asamblarea trebuie s fie etan i s reziste la fore axiale determinate de presiune i de temperatur.7.3.4.1. Asamblri demontabile Se utilizeaz n cazul evilor lungi sau atunci cnd se prevede demontarea frecvent a evilor, pentru curire i nlocuire. Aceste asamblri permit dilatarea liber a evilor, dar nu preiau sarcini axiale. Soluia constructiv cu piuli tubular (fig.7.14) se aplic att la evile din materiale metalice ct i la cele din materiale nemetalice. In placa 2 se introduce eava 5 care se prinde cu ajutorul piuliei tubulare 1. Etanarea se asigur printr-o garnitur 4. Intre piuli i garnitur se prevede o rondel metalic 3. La evile din font strngerea umpluturii de etanare se face cu ajutorul unor inele din plumb, care se temuiesc. Aceste tipuri de mbinri impun plci tubulare relativ groase. 7.3.4.2. Asamblri nedemontabile Se realizeaz prin: mandrinare, deformare hidraulic, sudare, explozie, lipire sau ncleiere. Pentru eliminarea impuritilor din zona de mbinare

Fig. 7.14 1 piuli tubular; 2 plac; 3 rondel; 4 garnitur; 5 - eav

202


capetele evilor se cur la exterior pe o lungime de cel puin dou ori grosimea plcii tubulare. a) Mandrinarea Const n deformarea plastic, la rece, a captului evii introdus n placa tubular. Procesul de mandrinare cuprinde dou faze principale: lrgirea preliminar a evii, pn cnd aceasta vine n contact cu suprafaa locaului (epuizarea jocului dintre eav i loca) i lrgirea suplimentar a evii prin deformare plastic (remanent), concomitent cu o deformare elastic a locaului. Materialul evii fiind deformat plastic, umple toate spaiile dintre eav i loca, asigurnd etaneitatea necesar. Dup ndeprtarea dispozitivului de mandrinare, pereii locaului, deformai elastic, tind s revin la poziia iniial. Se opune captul evii deformat plastic. Zona mbinrii eav-plac tubular se caracterizeaz prin tensiuni remanente de compresiune. Pentru a obine o mbinare prin mandrinare etan i rezistent, este necesar ca limita de curgere a materialului evii s fie mai mic dect limita de curgere a materialului plcii tubulare, sau duritatea materialului plcii tubulare s depeasc duritatea materialului evii cu (30 ... 50) HB. Rezistena i etaneitatea mbinrilor prin mandrinare depind de gradul de mandrinare sau cuplul aplicat mandrinei, de raportul dintre proprietile materialului evii i cele ale materialului locaului din placa tubular, de starea suprafeelor n contact, de prezena i mrimea capetelor de eav petrecute n afara plcii (rsfrnte sau nu), de viteza i de procedeul de mandrinare, de numrul de role ale mandrinei etc. Diametrul gurilor n placa tubular se determin astfel nct realizarea unui grad de mandrinare (g.m) optim s fie asigurat.gm = d i' ( d i + j ) .

(7.11)

Semnificaia notaiilor din relaia (7.11) rezult din fig.7.15. Cu j s-a notat jocul dintre eav i gaur j = d 0 d . Pentru ancorarea mai bun n placa tubular a evilor mandrinate, gurile din plci se prevd cu canale inelare (fig.7.16). Avantajul principal al mandrinrii l constituie faptul c evile defecte pot fi nlocuite relativ uor iar placa tubular rmne, n general, n stare bun. Ca dezavantaje se pot enumera: distrugerea structurii evii n zona mandrinrii, posibiliti limitate de preluare a unor sarcini axiale mari, execuie scump etc.

Fig. 7.15

Fig. 7.16


203

Verificarea etaneitii mbinrii mandrinate nainte ca eava s fie smuls din mbinarea mandrinat se produce pierderea etaneitii mbinrii. Se pune condiia ca solicitarea efectiv s fie inferioar solicitrii critice corespunztoare pierderii etaneitii. Pentru fora limit pe unitatea de lungime a circumferinei de mandrinare se recomand: S lim = 40 KN/m, pentru mandrinare

obinuit; S lim = 5o KN/m, pentru mandrinare cu evazarea unuia dintre capetele evii;S lim = 70 KN/m, pentru mandrinarea cu evazarea ambelor capete ale evii sau cu canale

inelare. Fora efectiv pe unitatea de lungime a circumferinei unei evi, S, trebuie s ndeplineasc condiia S S lim , unde:

S=

d e n

Ft

,

(7.12)

n care Ft reprezint fora axial determinat de presiune i de tendina de dilatare termic a mantalei i evilor. Cu neglijarea efectului temperaturii, S poate fi calculat cu relaia: p A S= c , (7.13) d e n unde A reprezint aria plcii tubulare care particip la mpiedicarea smulgerii evii mandrinate n cazul aciunii presiunii.b) mbinarea prin sudare Aceast mbinare se aplic dac: - din motive funcionale pasul dintre evi este prea mic, ceea ce nu permite o mandrinare de calitate optim; - mbinarea este supus la oboseal; - zona deformat plastic este n contact cu substane puternic corozive. Pentru ca mbinarea s poat fi realizat prin sudare este necesar ca att materialul plcii ct i al evii s fie sudabil i s fie apropiate n ceea ce privete compoziia, structura i caracteristicile fizico-mecanice.

Fig. 7.17

204


Tipurile principale de mbinri de acest fel sunt redate n fig.7.17. Soluia constructiv depinde de grosimea elementelor sudate i de procesul de sudare. In toate condiiile se face o mandrinare (de apropiere) naintea sudrii. Cordoanele de sudur a evilor cu placa tubular se calculeaz la forfecare, avnd n vedere determinarea corect a limii cordonului de sudur (de calcul).c) mbinarea prin explozie Metoda const n introducerea la captul evii a unui cartu cu exploziv. Se introduce eava n placa tubular i se detoneaz cartuul. Dup explozie, materialul evii este deformat plastic i ia forma gurii din placa tubular. Teirea evii din placa tubular (fig.7.18) se face pe lungime mai mare dect la celelalte procedee de mbinare. Metoda este recomandat ndeosebi pentru evi cu grosime mic a peretelui. d) mbinarea prin lipire Fig. 7.18 Acest tip de asamblare se aplic cu precdere la sistemele tubulare din alame care lucreaz la temperaturi joase. Aliajul se toarn ntre eav i gaura din placa tubular. Verificarea asamblrilor sudate, lipite sau ncleiate Aceste asamblri se verific la forfecare cu relaia: F f = af d e h

(7.14)

unde: h - nlimea de calcul a cordonului de sudur, sau adncimea pe care se efectueaz lipirea sau ncleierea; F - fora axial de calcul care acioneaz n zona mbinrii plac tubular - eav; af - tensiunea admisibil de forfecare pentru materialul cordonului de sudur, al lipiturii moi sau al adezivului.

7.3.5. Asamblarea dintre placa tubular i mantaPlcile tubulare pot fi simple (fig.7.19 b, c, d i fig.7.20 a) sau pot servi i ca flane (fig.7.19 a i 7.20 b, c, d). La diametre egale ale fasciculului tubular i la aceeai presiune, plcile tubulare care servesc i ca flane sunt mai groase dect cele simple.


205

Plcile tubulare din fig.7.19 sunt recomandate pentru schimbtoare de cldur cu fascicul tubular, cu cap mobil n form de U sau cu presetup, iar plcile tubulare indicate n fig.7.20 sunt recomandate pentru schimbtoare de cldur cu fascicul tubular rigid. In caz c placa tubular simpl este executat din alt material dect mantaua - exemplu plac tubular din bronz, manta din oel carbon - se realizeaz montaje ca n fig.7.21, ce pot fi considerate "semidemontabile".

Fig. 7.19

Fig. 7.20

Fig. 7.21

206


7.3.6. Calculul plcii tubularePlaca tubular este, n general, o plac plan, relativ groas, circular sau inelar, perforat. Elementele principale ce se calculeaz la o plac tubular sunt (fig.7.22):

Fig. 7.22

- diametrul interior al mantalei schimbtorului de cldur cu o singur trecere,Di Di = t (c 1) + d e + 2 (t d i ) ,

(7.15)

unde:

t - pasul dintre dou evi; c - numrul de evi de pe diagonala mare; d e - diametrul exterior al evii;d i - diametrul interior al evii.

Valoarea obinut se rotunjete la valoarea normalizat cea mai apropiat. La schimbtoarele de cldur cu mai multe treceri (deoarece pereii despritori cu garnitura lor de etanare nu se ncadreaz n Fig. 7.23 spaiul limitat dintre dou rnduri de evi) diametrul interior al plcii tubulare Di se determin prin adugarea diferenelor corespunztoare acestor perei despritori (diafragme), innd cont i de modul lor de amplasare (radial - fig.7.23a sau paralel - fig.7.23b). Pereii paraleli se utilizeaz la numr de treceri mic iar cei radiali la mprirea ntr-un numr mai mare de treceri. Numrul de


207

evi la fiecare trecere trebuie s fie aproximativ acelai. - diametrul exterior al mantalei schimbtorului de cldur, DeD e = Di + 2 s m ,

(7.16)

unde s m reprezint grosimea de proiectare a mantalei. - grosimea plcii tubulare, s p , se determin n funcie de modul de rezemare a marginilor plcii, de sarcinile care o solicit, de agresivitatea agenilor termici (fig.5.14). In general: s p = s 0 + c1 , (7.17) unde s 0 reprezint grosimea de rezisten, iar c1 este adaosul de coroziune. Grosimea de rezisten se calculeaz n funcie de tipul schimbtorului de cldur, astfel: 1. pentru schimbtoare n construcie rigids 0 = 0,5 D3 C1 pc

a

,

(7.18)

unde:

p c - presiunea de calcul;

a - tensiunea admisibil;C1 - factor, care se calculeaz cu relaia: 2 + C2 C1 = 2 + 3C 2 2 1

pentru p t > p m ;

C2 C1 = 2 + 3C 2

1 2

(7.19)pentru p t < p m ,

unde:

p - presiunea din evi; pm, presiunea din manta. Factorul C2 se calculeaz cu relaia: C2 = E m s om Di , nEt s ot d i (7.20)

unde: E m , E t - modulele de elasticitate ale materialului mantalei, respectiv evii;s om , s ot - grosimea de rezisten a mantalei, respectiv a evii.

2. pentru schimbtoare cu cap mobil a) cu plac tubular fix:

208


s 0 = 0,5 D3

pc

a

.

(7.21)

b) cu plac tubular mobil:s0 = pc D3 . 2 a

(7.22)

Relaiile de mai sus, dei in seama numai de presiune, fr a considera efectul solicitrii provocat de diferena de temperatur, duc la valori acoperitoare.

7.3.7. Solicitri n sistemul tubularPentru a determina aceste solicitri se consider un schimbtor de cldur n construcie rigid (fig.7.1) a crui plac tubular joac i rol de flan. Se fac urmtoarele ipoteze: - placa tubular este perfect rigid (se neglijeaz deformaiile plcii); - evile au toate aceeai temperatur.1. Fora axial datorat presiunilor de lucru, F p

Se consider pozitiv sensul forei care ntinde evile. Fora axial total rezult ca diferen ntre fora care acioneaz asupra plcii, determinat de presiunea p m , i fora din evi, determinat de presiunea p t (fig.7.22) i are expresia:2 ( Di2 nd e )

pt . (7.23) 4 4 In aceast relaie p m i p t reprezint suprapresiunea fa de presiuneaatmosferic. Dac una dintre acestea exprim depresiune ( p < 0,1 MPa ), atunci va fi luat cu semn negativ. Valoarea maxim a depresiunii se va considera de (-0,1) MPa. Fora F p este preluat parial de manta, F pm i parial de evi, F pt , astfel nct: F p = F pm + F pt . (7.24) Repartizarea pe cele dou componente se face n raport cu rigiditile elementelor asamblate n paralel: AE Am E m ; ct = t t . cm = (7.25) L L unde:Am , At - ariile seciunilor transversale; E m , E t - modulele de elasticitate longitudinale ale materialelor mantalei i

Fp=

pm

( Di2 nd i2 )

evilor, la temperatura de lucru;


209

L - lungimea evilor ntre plcile tubulare. Ariile seciunilor transversale sunt date de relaiile:

Am =

(D 4

2 e

Di2 ; At =

)

(d 4

2 e

d i2 .

)

(7.26) (7.27)

Deoarece lungimile evilor i mantalei sunt aceleai rezult: L pm = L pt = L ; sau:F pm cm = F pt ct

.

(7.28)

Dac se utilizeaz proprietile irului de rapoarte egale se poate scrie: Fp F pm F pt F pm + F pt , = = = c m + ct ct c m + ct cm din care rezult forele axiale n manta i respectiv n evi: F pm = F p cm ; c m + ct F pt = F p ct . c m + ct

(7.29)

(7.30)

2. Fora axial datorat deformrilor termice, FT

evile se nclzesc de la temperatura T0 la temperatura Tt , iar mantaua de la T0 la Tm . Coeficienii de dilatare termic ai evii i ai mantalei sunt t i respectiv m . Tendinele de dilatare liber a evilor i mantalei sunt: Lt = t L(Tt T0 ); Lm = m L(Tm T0 ) . (7.31)

In realitate, mantaua i evile se deformeaz cu valoarea L' cuprins ntre L i Lm. Se presupune cazul Lt > Lm . Diferena lt = Lt L reprezint dilatarea mpiedicat a evii, iar diferena l m = L ' Lm reprezint lungirea forat a mantalei. Din aceste relaii se obine: L = Lt - l t = Lm + l m . poate scrie: (7.32)

Deformaiile elastice l i lm corespund unei fore axiale FT . Ca urmare, se

L L ; lt = F T l m = F T .E m Am Et AtDin relaia (7.33) rezult: lm + lt = Lt Lm . nlocuind n relaia (7.34) relaiile (7.31) i (7.33) se obine:

(7.33) (7.34)

210


FT =

( t Tt m Tm ) E m E t Am At . E m Am + Et At

(7.35)

Deoarece plcile tubulare nu sunt perfect rigide, deformarea lor face ca l s fie n realitatea mai mic dect cel considerat. Ca urmare, fora efectiv FT este mai mic dect valoarea rezultat prin relaia (7.35), deci calculul este acoperitor. Totui, dac t = m , la diferene de temperatur Tt Tm = (40 ... 50)o C, n schimbtoarele de cldur de construcie rigid se nasc tensiuni mari, n general periculoase pentru etaneitatea mbinrilor mandrinate. Fora total n manta, i respectiv ntr-o eav, se obine prin sumarea algebric a lui FT cu F pm i respectiv F pt astfel: Dac: Lm > L rezult Fm = F pm FT i Ft = F pt + FT . Dac: Lm < L rezult Fm = F pm + FT i Ft = F pt FT . Fora total care solicit o eav va fi:Ft1 = Ft / n ,

(7.36) (7.37)

unde n reprezint numrul de evi.3. Verificarea la aciunea forei axiale

In cazul n care Fm < 0 , se verific mantaua la stabilitate. Pentru Ft1 > 0 , se verific condiia de asigurare a etaneitii mbinrii mandrinate, iar pentru cazul Ft1 < 0 , se verific eava la flambaj. Dac FT i tensiunile corespunztoare sunt prea mari i conduc, de exemplu, laS > S lim , se recurge la schimbtoare de cldur cu compensarea dilatrii. Aceasta se

realizeaz prin introducerea unui element elastic sau prin asigurarea dilatrii libere.

7.3.8. Compensatoare de dilatare termicCompensatoarele de dilatare termic sunt elemente elastice introduse pe manta. Cele mai folosite sunt compensatoarele lenticulare (fig.7.24a). La presiuni de peste 2MPa i diametre nominale de peste 1000 mm se recurge la compensatorul toroidal (fig.7.24b).


211

Fig. 7.24 1 , 2 tronsoane; 3 compensator lenticular; 4 virol; 5 compensator toroidal

Compensatorul lenticular, din tabl subire, se obine: dintr-o bucat, din dou jumti ambutisate la cald i sudate circumferenial, sau din poriuni lenticulare tanate care se sudeaz meridional. Sudura circumferenial a compensatoarelor (fig.7.24a) este solicitat la ncovoiere. Compensatorul 3 se sudeaz ntre dou tronsoane 1 i 2 ale mantalei, care trebuie s fie ghidate una fa de cealalt, astfel nct s-i pstreze coaxialitatea. In acest scop se utilizeaz virola 4 (manon), interioar, sudat numai la un capt. Un compensator este caracterizat de sgeata de care este capabil. Se admite o sgeat de = 8 mm. Numrul de compensatoare nc legate n serie rezult din relaia: |Lt Lm |= a, i ,i=1 nc

(7.38)

n care a, i este deformaia admisibil a unui compensator. Lentila legat de virol este mai rigid (dect lentila legat de alte lentile) i, la aceeai for axial, are deformaia = a . Din cauza pericolului pierderii stabilitii (bombrii laterale) se recomand nc 3, pentru schimbtoare de cldur. Pentru mrirea capacitii de compensare, compensatoarele lenticulare se monteaz strnse (comprimate) sau ntinse cu valoarea a, astfel ca n timpul funcionrii capacitatea de compensare s se dubleze. Dac n exploatare L > Lm, compensatorul se monteaz strns, iar dac L < Lm, compensatorul se monteaz desfcut la sgeata maxim.

212


7.3.9. Perei despritori i icanePereii despritori pot fi longitudinali (diafragme) sau transversali. Cei longitudinali se monteaz paralel cu axele evilor i cel mai des se utilizeaz n capace. Diafragmele, n camerele de capt, au rolul de a realiza mai multe treceri i se

Fig. 7.25 1 perete despritor; 2 plac tubular

fixeaz de capac prin sudare. Partea inferioar are rolul de a apsa garnitura de etanare de pe placa tubular. In fig. 7.25 se prezint mai multe variante de etanare a diafragmei cu placa tubular. Suprafeele de etanare ale pereilor despritori trebuie s fie n acelai plan cu suprafaa de etanare a flanei i cu abateri de circa + 0,3 mm. icanele transversale se utilizeaz n spaiul intertubular pentru dirijarea curgerii fluidului. Acestea se realizeaz sub forma unor segmente (fig.7.26) sau a unor discuri i inele (fig.7.27). Ele mresc viteza agentului termic i-i lungesc traseul. icanele transversale pot limita amplitudinea vibraiei evii.

Fig. 7.26 a ican; b dispunerea icanelor n aparat

Grosimea icanei depinde de diametrul aparatului i de distana L dintre dou icane. De obicei se alege L = (0,21,0)D, ns nu mai mic de 50 mm. Grosimea minim a icanei se recomand a fi de 3 mm. icanele transversale se dispun egal distanate. Lungimea maxim a poriunii de eav nesprijinit crete cu mrirea diametrului evii.


213

Fig. 7.27 a dispunerea icanelor n aparat; b tipuri de icane; 1 ican inelar; 2 ican disc

Pentru reducerea vitezei fluidului la ptrunderea n spaiul intertubular, se prevd plci deflectoare n zona racordului de intrare (fig.7.28). icanele se monteaz pe tirani prevzui cu evi distaniere (fig.7.29a). La schimbtoarele de cldur n

Fig. 7.28

construcie rigid icanele se introduc nainte de sudarea celei de a doua plci. La schimbtoarele la care fasciculul tubular se poate scoate, Fig. 7.29 1 ican; 2 element de distanare; capetele tiranilor se nurubeaz n 3 evi distaniere; 4 plac tubular placa tubular. In cazul construciilor din oel nalt aliat se utilizeaz tije pe care se sudeaz icanele (fig. 7.29b).

BIBLIOGRAFIE1. Aldea, M. Cazane de abur i recipieni sub presiune. ndrumar. Bucureti: Editura tehnic, 1982. 2. Banu, C., .a. Manualul inginerului de industrie alimentar. Vol.I. Bucureti: Editura tehnic, 1998. 3. Banu, C., .a. Manualul inginerului de industrie alimentar. Vol.II. Bucureti: Editura tehnic, 1999. 4. Bnescu, A., .a. Sistematizarea calculelor aparatelor n industria chimic. Bucureti: Editura tehnic, 1977. 5. Birger, I.A., .a. Rascet na procinosti detalei main. Spravocinik. Moskva: Iz. Mainostroenie, 1979. 6. Blume, D., Igner, K.H. Schrauben Vademecum. 8. Auflage, 1991 7. Cioclov, D.D. Recipieni sub presiune. Bucureti: Editura Academiei, 1983. 8. Crudu, I., .a. Recipiente i aparate tubulare. Atlas. Date de proiectare. Galai: Universitatea Dunrea de Jos, 1983. 9. Crudu, I., .a. - Recipiente i aparate tubulare. Atlas. Date de proiectare. Ediia II-a, vol.I. Galai: Universitatea Dunrea de Jos, 1994. 10. Elizarov, D.P. Napreajenia po flanevom soedinenii paroprovoda vsokih parametrov pri progreve. Teploenerghetica. Nr.4, 1960. 11. Gafieanu, M., .a. Organe de maini. vol.I. Bucureti: Editura tehnic, 1987. 12.Ioancea, L., .a. Maini, utilaje i instalaii n industria alimentar. Bucureti: Editura Ceres, 1986. 13. Jcanu, M., .a. Supape de siguran pentru recipiente sub presiune. Galai: Universitatea Dunrea de Jos, 1993. 14. Jinescu, V. V. Utilaj tehnologic pentru industrii de proces. vol. 3. Bucureti: Editura tehnic, 1988. 15. Jinescu, V. V. - Utilaj tehnologic pentru industrii de proces. vol. 4. Bucureti: Editura tehnic, 1989. 16. Jinescu, V.V., .a. Elemente constructive pentru dispozitive de amestecare. Bucureti: Universitatea Politehnica, 1993. 17. Jinescu, V.V. Aparate de tip coloan. Bucureti: Editura tehnic, 1978. 18. Khler, Rgnitz. Maschinenteile. Teil I, II. Stutgart: B.G. Teubner, 1981. 19. Leca, A., .a. Conducte pentru ageni termici. ndreptar. Bucureti: Editura tehnic, 1986. 20. Orlov, P.I. Fundamentals of Maschine design. Vol.2. Moskau: Mir Publischers, 1976.

216


21. Palade, V., Panuru, D. Recipieni i aparate tubulare. vol.1. Recipiente cilindrice verticale cu amestector. ndrumar de proiectare. Galai: Universitatea Dunrea de Jos, 1996. 22. Palade, V. Recipiente i instalaii tubulare. Galai: Universitatea Dunrea de Jos, 1997. 23. Panuru, D. Proiectarea utilajului din industria alimentar. vol.I. Galai: Universitatea Dunrea de Jos, 1980. 24. Panuru, D. Recipieni i aparate tubulare. Exemple de calcul mecanic. Galai: Universitatea Dunrea de Jos, 1990. 25. Panuru, D., .a. Procese hidrodinamice i utilaje specifice. vol. I. Galai: Universitatea Dunrea de Jos, 1995. 26. Panuru, D., .a. Material documentar pentru proiectarea instalaiilor de proces din industria alimentar. vol.I. Galai: Universitatea Dunrea de Jos, 1995. 27. Pavel, A. Elemente de inginerie mecanic. Bucureti: Editura Didactic i Pedagogic, 1981 28. Pavel, A., .a. Protecia antiexploziv a instalaiilor tehnologice. vol.I. Bucureti: Editura tehnic, 1989. 29. Pavel, A., .a. Aparate de tip coloan. Indrumtor de proiect de an. Ploieti, 1980. 30. Pavelescu, D., .a. Organe de maini. Vol.I. Bucureti: Editura Didactic i Pedagogic, 1985. 31. Popa, B. Schimbtoare de cldur industriale. Bucureti: Editura tehnic, 1977. 32. Pochin, I., .a. Armturi industriale. Bucureti: Editura tehnic, 1991. 33. Renert, M. Calculul i construcia utilajului chimic. vol.I Bucureti: Editura Didactic i Pedagogic, 1971. 34. Robert, O., Parmley, P.E. Standard Handbook of Fastening an Joining. Mc Graw-Hill Book Company, 1977. 35. tefnescu, I., .a. Recipiente sub presiune n construcie sudat. ndrumar de proiectare. Galai: Universitatea Dunrea de Jos, 1991. 36. tefnescu, I., .a. Materiale utilizate n construcia utilajelor specifice industriei alimentare i frigorifice. Galai: Universitatea Dunrea de Jos,1996. 37. tefnescu, I., .a. Asamblri cu flane, Brila, Editura Evrica, 1999 38. * * * Prescripii tehnice ISCIR, C4 - 83. 39. * * * Prescripii tehnice ISCIR, C37 - 83. 40. * * * Prescripii tehnice ISCIR, C7 - 92. 41. * * * Prescripii tehnice ISCIR. C15-85.

Documents

Recipiente Si Aparate Tubulare