Краткое вступление, постановка проблемы
Наиболее часто применяемыми рекуперативными теплообменными аппаратами являются кожухотрубчатые теплообменные аппараты. Конструкция кожухотрубчатого теплообменного аппарата определяется конкретными условиями эксплуатации, одним из наиболее важных факторов является разность температур между кожухом и трубами. В частности, при разности температур между кожухом и трубами до 40-60 ̊С применяются кожухотрубчатые теплообменные аппараты с жестко закрепленными трубными решетками. Нормы и методы расчета на прочность элементов кожухотрубчатых теплообменных аппаратов, применяемых в химической, нефтехимической и смежных отраслях промышленности, работающих в условиях однократных и многократных нагрузок под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным давлением, установлены в ГОСТ Р 52857.7-2007 [3]. Существенным недостатком методики [3] является то, что при расчете на прочность и устойчивость труб, а также на прочность трубных решеток принимается одинаковая температура стенки для всех труб.
В действительности, температура стенки труб может значительно изменяться по направлению движения теплоносителя в межтрубном пространстве. Перепад температуры стенок труб по рядам возникает по нескольким причинам, перечислим основные из них. Во-первых, скорость теплоносителя в межтрубном пространстве изменяется по мере его движения, это обусловлено изменением площади проходного сечения в межтрубном пространстве. Это изменение скорости повлияет на коэффициент теплоотдачи со стороны межтрубного пространства и, как следствие, на величину теплового потока и температуру стенок труб. Во-вторых, температура «холодного» теплоносителя возрастает по мере его движения в межтрубном пространстве. Это приводит к уменьшению разности температур теплоносителей, снижению теплового потока и, следовательно, к увеличению температуры стенок труб. В-третьих, перепад температуры стенок труб по рядам в какой-то степени может быть обусловлен неоднородностью распределения потоков теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве.
Например, в контактно-каталитическом отделении сернокислотного производства в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах при перекрестном токе теплоносителей, не имеющих перегородок в межтрубном пространстве (рис.1), возможен перепад температуры по рядам труб, по ходу газового потока в межтрубном пространстве, более чем на 100 ̊С. Это обстоятельство приводит к существенному силовому воздействию труб друг на друга и на трубные решетки и может привести к разрушению труб в месте заделки, потере устойчивости труб или образованию сквозной трещины в трубной решетке.[4]
Таким образом, при выборе конструкции кожухотрубчатого теплообменного аппарата большого диаметра и при его расчете на прочность и устойчивость, следует принимать во внимание разность температур стенок труб по рядам.
Цель работы
Целью работы является расчет и анализ температурных напряжений в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах большого диаметра, возникающих вследствие разности температур стенок труб по рядам. А также вывод общих рекомендаций по выбору конструкции кожухотрубчатых теплообменных аппаратов в зависимости от условий эксплуатации и определение их области применения.
Примененные методы
Для решения поставленной задачи был смоделирован и рассчитан вертикальный кожухотрубчатый теплообменный аппарат при помощи программного комплекса SolidWorks Flow Simulation.
Описание конструкции теплообменного аппарата
Кожухотрубчатый теплообменный аппарат (рис. 1) представляет собой стальной сварной вертикальный цилиндрический аппарат с двумя жестко закрепленными трубными решетками, в которые ввальцованы цельнотянутые стальные трубы. Аппарат имеет линзовый компенсатор на кожухе (на рисунке условно не показан), одноходовой, без перегородок в межтрубном пространстве, схема движения теплоносителей относительно друг друга – перекрестный ток. Для более равномерного заполнения межтрубного пространства теплоносителем в патрубках установлены газораспределительные жалюзи. Трубы размещены в трубной решетке по вершинам равностороннего треугольника, количество рядов труб – 45.
Рисунок 1 Кожухотрубчатый теплообменный аппарат
Основные результаты
По результатам расчета были получены значения температур стенок труб и построены графики изменения температуры стенок труб по диаметру аппарата в трех сечения (рис.1).
Выводы
Как видно из графиков, разность температур стенок труб в среднем составляет 120 ̊С. Так как трубы жестко связаны друг с другом через трубные решетки, на них будут действовать осевые усилия: на более «холодные» трубы – растягивающие, на более «горячие» – сжимающие. Будем считать температуру стенок труб, стоящих в одном ряду, одинаковой а также предположим что кожух и каждая из теплообменных труб после сборки не имеют остаточных осевых напряжений. Деформация трубы будет складываться из деформации, вызванной температурным расширением, и деформацией обусловленной осевой нагрузкой.
Свободное температурное удлинение труб будет определяться по зависимости [5]:
Проведенные расчеты показали, что при разности температур труб по рядам более 40 оС условия прочности и устойчивости труб могут не выполняться. Нагрузки на кожух, снабженный линзовыми компенсаторами, не приводят к возникновению напряжений, превышающих допускаемые значения.
Таким образом, на стадии проектирования кожухотрубчатых теплообменных аппаратов с перекрестным током теплоносителей, без перегородок в межтрубном пространстве, необходимо проводить расчет температуры стенок труб по рядам, по ходу газового потока теплоносителя в межтрубном пространстве, а также температурных напряжений в трубах с учетом разности температур по рядам труб. При разности температур по рядам труб более 40 следует использовать кожухотрубчатые теплообменные аппараты с перегородками в межтрубном пространстве.
Список литературы:
- ГОСТ Р 52857.1-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования; Введ. 01.04.2008. – М.: Стандартинформ, 2008.
- ГОСТ Р 52857.2-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек; Введ. 01.04.2008. – М.: Стандартинформ, 2008.
- ГОСТ Р 52857.7-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Теплообменные аппараты; Введ. 01.04.2008. – М.: Стандартинформ, 2008.
- Лагуткин М.Г. ст. Особенности конструирования, расчета и гидравлических испытаний кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: Безопасность труда в промышленности 4.2011.
- Поникаров И.И. Перелыгин О.А. Доронин В.Н. Гайнуллин М.Г. Машины и аппараты химических производств: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 1989. – 368 с.[schema type=»book» name=»ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ КОЖУХОТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ СИСТЕМЫ «ГАЗ-ГАЗ» В СЕРНОКИСЛОТНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ» author=»Ерычев Никита Андреевич, Лагуткин Михаил Георгиевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-26″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.01.2015_01(10)» ebook=»yes» ]