Семакина О.К. Машины и аппараты химических производств. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

давлениях до 0,6 МПа. Прочность и герметичность возрастает при разваль-

цовке в отверстиях с одной или двумя канавками глубиной около 0,5 мм.

Трубы развальцовывают на глубину 1,5

. Если толщина решетки меньше

1,5

, то трубы развальцовывают на полную толщину решетки. В толстых

решетках трубу развальцовывают двумя поясками: один – шириной 1,5

со

стороны распределительной камеры, другой – шириной 0,75

со стороны

межтрубного пространства.

Крепление труб сваркой с развальцовкой применяют без ограничений

давления и температуры теплоносителей. В этом случае сначала выполняют

сварку, а затем развальцовку.

Перегородки.

В кожухотрубчатых ТА устанавливают поперечные и продольные пере-

городки. Поперечные перегородки, размещаемые в межтрубном пространст-

ве теплообменника, предназначены для движения теплоносителя перпенди-

кулярно оси труб и увеличения скорости теплоносителя.

Поперечные перегородки, устанавливаемые в испарителях и конденса-

торах, в основном выполняют роль опор трубного пучка, фиксируя трубы на

заданном расстоянии и уменьшая их вибрацию. Вибрация труб может вы-

звать их повреждение, если по межтрубному пространству с большей скоро-

стью идет газ. Вязкие же жидкости хорошо демпфируют колебания труб.

Известны несколько конструкций поперечных перегородок с сегмент-

ными (рис. 1.16, а), секторными (рис. 1.16, б) и щелевыми (рис. 1.16, в) выре-

зами, с чередованием дисков и колец (рис. 1.16, г).

Рис. 1.16. Варианты поперечных перегородок

Наиболее широко применяются сегментные перегородки. Высота выре-

заемого сегмента равна примерно 1/3 диаметра аппарата, а расстояние между

перегородками – около 0,5 диаметра.

Аппараты со сплошными перегородками используются обычно для чис-

тых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору

около 1,5 мм между трубой и перегородкой (рис. 1.16, д). В зазорах поток

сильно турбулизируется, что приводит к увеличению коэффициента теплоот-

дачи на наружной поверхности труб. В межтрубном пространстве в ряде слу-

чаев устанавливают продольные перегородки (в ТА типа У в двухходовом по

межтрубному пространству). Толщина продольных перегородок трубного

пучка, распределительных камер и крышек должна быть не менее 6 мм.

Рис. 1.17. Продольные перегородки в многоходовых теплообменниках

В крышках двух-, четырех- и шестиходовых теплообменников ходы мо-

гут разделяться параллельными перегородками (рис. 1.17 а, б). На рис. 1.17

сплошными линиями показаны перегородки в передней крышке, а штрихо-

выми – в задней крышке. Цифрами обозначена последовательность ходов. В

аппаратах с четырьмя и более ходами применяют разбивку труб по секторам

(рис. 1.17, в) или более сложные, комбинированные методы установки пере-

городок (рис. 1.17, г). При разбивке труб стремятся достичь их приблизи-

тельного равенства в каждом ходу.

Отбойники. При входе среды в межтрубное пространство теплообмен-

ника часто ставят отбойник, который защищает от местного износа трубы,

расположенные против входного штуцера. Отбойник выполняется в виде

круглой или прямоугольной пластины. Размер его должен быть не менее

внутреннего диаметра штуцера

. Обычно его принимают на 10–20 мм

больше, т.е.

)2010(

мм. Отбойник не должен создавать излишнее

гидравлическое сопротивление, поэтому расстояние от внутренней поверх-

ности корпуса до отбойника должно быть более 0,2

. Отбойник привари-

вают к дистанционным тягам или крепят хомутами к трубам. Приваривать

отбойник к трубам не рекомендуется из-за опасности прожога стенки трубы.

Расстояние от отбойника до первой перегородки должно быть не менее

100 мм для обеспечения беспрепятственного распределения входящего пото-

ка среды.

2 3 4

а)

б)

в)

г)

1.5. Расчет теплообменных кожухотрубчатых аппаратов

Различают два вида расчетов теплообменников: проектный и повероч-

ный. Проектный расчет выполняется при проектировании ТА, когда заданы

расходы теплоносителей и их параметры. Его цель – определение поверхно-

сти теплообмена и конструктивных размеров выбранного аппарата.

Проектный расчет включает тепловой, конструктивный, гидравличе-

ский, механический и технико-экономический расчет.

Поверочный расчет устанавливает возможность использования имею-

щиеся теплообменники для заданного процесса и определяет условия, обес-

печивающие оптимальный режим работы.

1.5.1. Конструктивный расчет теплообменника

Для кожухотрубчатых теплообменников важным элементом является

расчет проточной части трубного пространства. Исходя из заданной произ-

водительности аппарата и скорости движения жидкости, по уравнению рас-

хода определяют площадь проходного сечения трубок одного хода

, (1.4)

где G – расход жидкости, кг/с;

– плотность жидкости, кг/м

;

w – скорость движения жидкости внутри трубок, м/с.

Отсюда число трубок одного хода:

785,0 d

, (1.5)

где

– внутренний диаметр трубки, м.

Расчетная длина одной трубки при одном ходе:

1р

, (1.6)

где

– расчетный диаметр трубки, определяемый в зависимости от соот-

ношения коэффициентов теплоотдачи в трубном и межтрубном пространст-

ве

, соответственно: при

≈

)(5,0

нвр

ddd

;

при

вр

;

при

нр

Число ходов трубного пространства:

, (1.7)

где l – рабочая длина труб, которую рекомендуется принимать не более 4 м.

В ТА рекомендуется принимать l =1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000,

9000 м. В многоходовых аппаратах выбирается четное число ходов. Общее

число трубок, размещаемое на трубной решетке:

Znn

. Трубы чаще всего

размещают по периметрам правильных шестиугольников. Для этого случая

при подсчете общего количества труб n исходят из числа труб а, располо-

женных на стороне наибольшего шестиугольника:

.1)1(3 aan

(1.8)

Число труб

, расположенных по диагонали наибольшего шестиуголь-

ника, находят по формуле:

12ab

. (1.9)

Диаметр теплообменника находят из соотношения:

для одноходового

нвн

)1( dbtD

, (1.10)

где

22,1

для многоходового

tD 1,1

вн

, (1.11)

где = 0,6–0,8 – коэффициент заполнения трубной решетки.

Расчетное значение диаметра корпуса округляют до ближайшего стан-

дартного размера.

Общая высота кожухотрубчатого теплообменника равна сумме длины

труб и высоты двух распределительных камер:

,2hlH

(1.12)

где

= 200–400 мм – высота распределительной камеры.

1.5.2. Механический расчет теплообменников

Механический расчет ТА предусматривает проверку на прочность от-

дельных его узлов: корпуса, днища, трубных решеток, фланцевых соедине-

ний, болтов. Расчет на прочность элементов кожухотрубчатых аппаратов

проводят в соответствии с ОСТ 26.1185–81 (Сосуды и аппараты. Нормы и

методы расчета на прочность. Элементы теплообменных аппаратов). При

проектировании ТА следует учитывать все сочетания давлений в трубном и

межтрубном пространстве и температур труб и кожуха при пуске, в рабочих

условиях, при промывке или испытании с целью определения экстремальных

значений расчетных характеристик для каждого из элементов аппарата.

1.5.2.1. Определение температурных напряжений

в трубах и корпусе

При определении температурных напряжений предполагают, что ре-

шетки теплообменника не деформируются и поэтому температурные усилия

распределяются равномерно на все трубы. В общем случае трубы и корпус

теплообменника могут быть выполнены из различных материалов.

Введем обозначения:

l – длина труб или корпуса, м;

– температурные коэффициенты линейного расширения труб и

корпуса,

-1

;

– модули упругости материала труб и кожуха, МПа;

– площади поперечного сечения всех труб и корпуса, м

;

– температуры труб и кожуха, К.

1 2

Рас-

смотрим случай, когда

. Тогда, если трубы 2 и корпус 1 не

связаны, трубы удлиняются больше, чем корпус на величину (рис.

1.18). Эта величина обусловлена как разностью коэффициентов линейного

расширения при нагреве труб и корпуса до температуры корпуса

ккт

)( tl

, так и дальнейшим нагревом труб до температуры труб, т.е.

)(

ктт

ttl

Следовательно,

)()(

кттккт

tttl

, отсюда

кктт

ttl

. (1.13)

Однако в действительности, трубы и корпус связаны между собой, по-

этому трубы не могут свободно удлиняться, и конструкция займет положение

Рис. 1.18. Схема температурных деформаций труб

и корпуса теплообменника

Ш. Корпус окажется растянутым на величину

, а трубы – сжатыми на ве-

личину

, причем

кт

. (1.14)

Очевидно, что усилие сжатия труб

равно усилию растяжения корпу-

са

и в рассматриваемом случае каждое из этих усилий равно температур-

ному усилию

в конструкции:

QQQ

кт

По закону Гука:

тт

;

кк

. (1.15)

Подставляем выражения деформаций из формулы (1.13) и (1.15) в фор-

мулу (1.14), из которой находим:

кктт

кктткктт

)(

FEFE

FEFEtt

. (1.16)

Температурные напряжения в трубах и корпусе:

кктт

ккткктт

)(

FEFE

FEEtt

, (1.17)

кктт

ткткктт

)(

FEFE

FEEtt

. (1.18)

Из этих уравнений следует, что температурные усилия и напряжения не за-

висят от длины теплообменника.

Иногда при различных температурных коэффициентах линейного рас-

ширения

учитывают температуру, при которой изготовлен тепло-

обменник

=20

С. В этих случаях в формулы (1.16) – (1.18) вместо разности

)(

кктт

вводят разность

)()(

иккитт

tttt

В случае, когда трубы и корпус выполнены из одинакового материала

(

кт

;

EEE

кт

) и

ttt

кт

, получим:

кт

tEF

;

кт

tEF

. (1.19)

Из равенств (1.19) следует, что температурные напряжения в трубах и

корпусе обратно пропорциональны площадям поперечного сечения труб и

корпуса, т.е.

. (1.20)

Как правило, в теплообменниках жесткой конструкции температурные

напряжения в трубах превышают напряжения от внутреннего давления и яв-

ляются обычно определяющими в расчетах на прочность и устойчивость

труб и трубных решеток, а также в расчетах на прочность соединения труб с

трубной решеткой.

Рассмотрим температурные усилия в теплообменнике жесткого типа, на

корпусе которого установлен компенсатор (рис. 1.19).

Деформация компенсатора, состоящего из

линз, пропорциональна на-

грузке на компенсатор, которая равна

, т.е.

, (1.21)

где

– деформация компенсатора, м;

– модуль продольной упругости материала компенсатора, МПа;

– параметр компенсатора, характеризующий его податливость:

)1(06,0

где – отношение внутреннего диаметра линзы

к наружному диамет-

ру

;

– коэффициент, определяемый в зависимости от (табличные зна-

чения);

– толщина стенки линзы компенсатора, м.

Рис. 1.19. Схема к расчету температурных усилий в теплообменнике

с компенсатором

Пусть корпус и трубы теплообменника выполнены из материала с оди-

наковым коэффициентом теплового расширения , и разность температур

труб и корпуса равна

. Тогда, если трубы не связаны с корпусом, они уд-

линяются на величину . Как видно из рис. 1.19, деформация

состо-

ит из деформации сжатия труб

, удлинения металла корпуса

, расшире-

ния компенсатора

лкт

. (1.22)

Учитывая, что усилия

QQQ

кт

и подставляя в равенство (1.22) зна-

чения

, выраженные по закону Гука, а также

по формуле (1.21),

получим:

ttt

кт

Отсюда сила, действующая на трубы и корпус:

tlE

кт

. (1.23)

Если корпус, трубы и компенсатор изготовлены из материалов с различ-

ными значениями и

, а температура, при которой изготовлен теплооб-

менник, равна

ltttt

ttt

)()(

иккитт

лкктт

Отсюда

лкктт

иккитт

)()(

ltttt

, (1.24)

где

– модуль продольной упругости металла компенсатора.

Если заранее известно, что при эксплуатации аппарата компенсатор ра-

ботает только на растяжение

кт

( tt

), тогда при изготовлении его следует

сжать на величину

. Если при эксплуатации компенсатор постоянно

сжат, то при изготовлении аппарата его следует растянуть на величину

1.5.2.2. Определение деформаций под действием давления

В общем случае для определения деформаций необходимо учитывать

одновременное действие давлений

(рис. 1.20). Давление в корпусе

теплообменника

стремится выпучить трубные решетки наружу, а давле-

ние в трубах

– внутрь. Трубы удерживают трубные решетки и от

давления

подвергаются растяжению. При действии давления

все тру-

бы также работают на растяжение. При незначительном прогибе трубных

решеток под действием давления

трубы, расположенные в центральной

части трубной решетки, могут оказаться сжатыми.

Растягивающее трубы и компенсатор осевое усилие

от давлений в

трубном и межтрубном пространствах является результирующим:

– от давления

на крышку теплообменника

;

– от давления на трубную решетку со стороны трубного пространства

;

– распорной силы от давления

со стороны межтрубного пространст-

ва на трубную решетку

;

– на стенку линзы компенсатора

, т.е.

4321

QQQQQ

, (1.25)

где

т1

; (1.26)

)(

т2

ndDPQ

; (1.27)

)(

к3

ndDPQ

; (1.28)

)(

кк4

DDPQ

, (1.29)

Рис. 1.20. Схема к расчету усилий в трубах

Рис. 1.21. Схема к расчету

развальцовочного

соединения

где

– внутренний диаметр трубы, м;

– диаметр линзы компенсатора, м;

– число труб;

– осевое усилие от давлений в трубном и межтрубном пространстве,

МПа.

Подставляя выражения нагрузок из формул (1.26)-(1.29) в формулу

(1.25), получим:

вт

кк

)(

dnPndDPQ

. (1.30)

Нетрудно видеть, что для теплообменника без компенсатора, осевое

усилие, растягивающее трубы и корпус, будет равно:

вт

)(

dnPndDPQ

. (1.31)

1.5.2.3. Расчет развальцовочного соединения

При расчете развальцовочного соединения проводят проверку труб на

вырывание (рис. 1. 21). Если давление в трубах

незначительно по сравне-

нию с давлением в корпусе

, можно считать, что воспринимаемая трубой

нагрузка

от давления на площадь

трубной

решетки, заключенной между четырьмя трубами,

определится как

fPq

При расположении труб по вершинам пра-

вильных треугольников:

866,0

В общем случае необходимо учитывать дей-

ствие давлений

. Если не учитывать, что

часть осевой нагрузки от давления воспринимает

корпус, и считать, что вся нагрузка приходится на

трубы, то усилие на одну трубу при условии рав-

номерного распределения нагрузки на трубы:

Кроме давления, на трубы действуют температурные усилия. Так, если

трубы нагреты больше, чем корпус, то в них возникают сжимающие напря-