Теплообменники с неподвижными трубными решетками

Расчет таких аппаратов производится с учетом взаимного влияния на проч­ность кожуха, труб и трубных решеток.

Расчетные параметры. Коэффициент перфорации трубной решетки по вну­треннему диаметру трубы

« = 1 — 0,25zT (-т ~ у, (17.5)

где dT, s. r — наружный диаметр и толщина стенки трубы; 2Т — число труб; ах — расстояние от оси аппарата до оси наиболее удаленной трубы.

Расчетный коэффициент перфорации трубной решетки

ар = а (0,8 - j - 0,2snp/'sP), (17.6)

где Sup = /в — глубина развальцовки труб, если теплообменные трубы кре­пятся к решетке развальцовкой или развальцовкой в сочетании со сваркой; sp — расчетная толщина трубной решетки.

Коэффициент, учитывающий жесткость трубной решетки,

Фр = Фо(1 +0,4/Sp). (17.7)

где Фо — коэффициент жесткости перфорированной плиты, принимаемый по рис. 17.7 в зависимости от av; d0 — диаметр одиночного отверстия перфориро­ванной решетки.

Цилиндрическая жесткость трубных решеток, МН-м

Дф =0,092i|>p£pSp, (17.8)

где Ер — модуль упругости материала трубной решетки.

Основные характеристики жесткости и упругости элементов теплообменных аппаратов типа Н. Модуль упругости основания (системы труб), МН/м3

Ку = 2£TzT(dT — sr)sTl(lal), (17.9)

где Ет — модуль упругости материала труб; / — расстояние между трубными решетками.

Девиацпонный коэффициент основания (системы труб), МН-м

Ки = ETzTJTi(nallap), (17.10)

где /11Р — приведенная длина труб, определяемая из следующих соотношений: /пр = 0,5/ — для аппарата без перегородок в межтрубном пространстве и /ПР = = 0,29/П2 — для аппарата с двумя и более перегородками (/П2 — расстояние от трубной решетки до второй перегородки); Ут — момент инерции поперечного сечения трубы, м4;

■7т— К (^т 2st)‘1] •

Коэффициенты (5, Рх и р2 систем решетка—труба, кожух—решетка и обе­чайка—фланец камеры соответственно рассчитываются последующим формулам:

р = ПОщ (17.11)

Рх= 1,81/1^Щ; (17.12)

р2 = 1.81//Щ, (17.13)

где Sx, s2 — толщина стенки кожуха и камеры в месте соединения с решеткой или фланцем, причем для приварных встык фланцев значения st и s2 принимаются

Рис. 17.7. График для определения коэффициента ф0

равными эквивалентной толщине втулки s3 фланца (см. гл. 13); D — внутренний диаметр кожуха в межтрубном пространстве.

Жесткость стенки кожуха и стенки камеры при изгибе соответственно, МН' м/м:

K1 = 0№ty1DEtlsyR1; (17.14)

К2 = 0,092p2D£flsf//?2, (17.15)

где £и, £д — модули упругости материалов кожуха и камеры (днища) соответ­ственно; /?2 — расстояния от центра тяжести сечения соответственно флан­цев кожуха и камеры до оси аппарата.

Жесткость фланцевого соединения при изгибе, МН-м/м

где h2 — толщина фланцев кожуха и камеры; Ьи Ь2 — ширина фланцев кожуха и камеры; Еъ П2 — модули упругости материалов фланцев кожуха н камеры.

Приведенное отношение жесткости труб к жесткости кожуха

р — 0,5K^a1l/(EnSK),

где sK — толщина стенки кожуха.

Приведенное отношение жесткости труб к жесткости фланцевого соединения

р1 = 0 SKyDaJ^KbRy). (17.18)

Коэффициенты, учитывающие влияние давления среды в аппарате на изгиб фланцев кожуха и камеры соответственно:

т1 = 0,5(1+р1Лі)/Й: т3 = 0,5 (1 + РаЛ3)/Р|.

Рис. 17.8. Графики для определения коэффициента Фі

Коэффициенты, учитывающие влияние беструбного края решетки на под­держивающую способность труб:

Т1 = ф1 [ma - f - 0,5 (1 -- mat) (t — 1)];	(17.21)
Г2 = Ф2/;	(17.22)
Т’з = Фз^ЕР	(17.23)

где t = 1 + 1,41ш (та — 1); та= 0,5О/аг; <в={Ц; Ф,, Ф2, Ф3 — коэффи­циенты, определяемые по рис. 17.8—17.10 в зависимости от параметров О) и С„ = 0,5 К„/(Р27)ф).

Расчет усилий. Расчет усилий и моментов, действующих в аппарате с пря­мыми трубами и неподвижными трубными решетками, производится для различ­ных сочетаний давлений и температур рм, рт, <к и <ті которые могут иметь место при пуске, остановке и эксплуатации, с целью выяснения возможных максималь­ных нагрузок на элементы аппарата.

Приведенное давление, МПа

Рпр = 0,5 [а„ (tK — — От (tT — <„)] Kyi + (mT + mcp + 0,5mnp) pT —

— (тм "h mcp 4" 0,3mnp) Pm> (.17.24)

где ак, ат — коэффициенты линейного расширения материалов кожуха и труб; l«, ty, <о — средняя температура соотеєтстеєкко стенки кожуха и стенок труб и температура сборки аппарата (20 °С); ты, тТ, тСР — величины, определяемые по формулам:

Вспомогательная величина ръ МПа

Изгибающий момент (МН-м/м) и перерезывающая сила (МН/м) в месте соединения трубной решетки с кожухом или фланцем:

М = ( ai ^ Pi (^i + Р) — Рпр'Рд. I Р / (Т, + Р) (Тз + Рі) - Т ’

О___ Рпр (ТаН~ Pi) — Pi^a

4 1 (Гд + Р) (Т, + Р|) - т

Изгибающий момент (МН-м/м) и перерезывающая сила (МН/м), распреде­ленные по контуру перфорированной части трубной решетки:

Afa = Af+(0,5D —(17.28) Qa = mnQ. (17.29)

Изгибающий момент (МН-м/м) и осевая сила (МН/м) в месте соединения ко­жуха с трубной решеткой:

('7-Щ

Рк = 0,25Врт— Q. (17.31)

Изгибающий момент (МН-м) и осевая сила (МН) в месте соединения трубы с трубной решеткой:

Мт = -*тг^-{ФАі + Ф&М„у, (17.32)

Аугг

Рт = ——— [(тмРм — итрт) - f- Ф&а + Фз$Мс]. (17.33)

2Т

Определение толщины трубной решетки. Толщина трубной решетки прини­мается конструктивно с проверкой следующих условий:

5/14raax/((pp£pSp) С [є];

K|Af|/(EpS$iX[e].

т	G)
0,5	1,0	2,0
Ах	А 2	•4,	А,	л,	А 2
—0,6	0,45	0	0,47	—0,02	0,52	—0,01
—0,4	0,31	0	0,33	—0,01	0,38	0,02
—0,2	0,17	0	0,19	0	0,35	0,15
0	0,13	0,01	0,27	0,09	0,45	0,28
0,2	0,27	0,03	0,41	0,15	0,56	0,37
0,4	0,41	0,04	0,55	0,20	0,57	0,38
0,6	0,55	0,06	0,68	0,25	0,78	0,32 .
0,8	0,69	0,09	0.82	0,25	0,88	0,26
1,0	0,83	0,10	0.96	0,24	0,99	0,21
т	3,0	5,0	10,0
	Ах	А 2	Ai	А 2	А і	Л2
—0,6	0,55	0,01	0,55	0,01	0,55	0,01
—0,4	0,40	0,03	0,39	0,02	0,38	0,01
—0,2	0,31	0,11	0,29	0,10	0,31	0,12
0	0,38	0,27	0,39	0,29	0,41	0,30
0,2	0,47	0,31	0,51	0,34	0,54	0,36
0,4	0,58	0,27	0,64	0,31	0,67	0,32
0,6	0,71	0,26	0,78	0,27	0,81	0,28
0,8	0,83	0,18	0,92	0,24	0,96	0,26
1,0	0,96	0,14	1,07	0,22	1,12	0,24

Здесь [е] — допускаемый размах деформации; <рр = (tp — d0)ltp — коэффи­циент прочности трубной решетки (d0 и tp — диаметр отверстий и шаг их распо­ложения в решетке); sp2 — расчетная толщина трубной решетки в месте приварки к кожуху или фланцу; К — коэффициент, зависящий от конструкции соедине­ния трубной решетки с кожухом или фланцем, приведенный на рис. 17.3 при условии 100%-ного контроля сварных швов, причем трубные решетки по рис. 17.3, в, г должны изготовляться только из поковок; А4тзх — момент (МН-м/м), определяемый по формулам:

мтах= Иі-л2си)і|^- при 0,7<т = -^-<1;

Л^тах ~ (^і ^2^-и) І Ма і ПРИ 1 ^ п ^ 0»

где Л1; А2, Blt В2— коэффициенты, принимаемые по табл. 17.10 и 17.11.

Допускаемый размах деформации [е] принимают по рис. 17.11 в зависи­мости от числа циклов нагружения или числа теплосмен (Л') за время всего срока службы аппарата, если расчетная температура трубной решетки не превышает значений, при которых должна быть учтена ползучесть материала.

Если число циклов не оговаривается в техническом задании, то рекомендует­ся принимать [е] ^ 0,004. Если в расчете должна быть учтена ползучесть

	(D
п	0.5	1.0	2.0
	в,	в,	В,	в2	в,	в2
0,8	0,80	0,10	0,91	0,18	0,91	0,18
0,6	0,78	0,08	0,86	0,13	0,84	0,04
0,4	0,75	0,04	0,80	0,06	0,78	—0,02
0,2	0,73	0,02	0,74	—0,01	0,74	—0,07
0	0,70	—0,02	0,70	—0,06	0,72	—0,08
	0)
п	3,	0	5,0	10,0
	В.	в,	в,	в.	В,	в2
						/
0,8	0,91	0,12	1,01	0,15	1,05	0,17
0,6	0,86	0,03	0,95	0,09	0,99	0,10
0,4	0,82	—0,02	0,90	0,04	0,94	0,05
0,2	0,79	—0,05	0,86	—0,01	0,90	0,01
0	0,78	—0,07	0,84	—0,03	0,87	—0,02

материала или при эксплуатации недопустимы малые пластические деформации материала, то следует принимать

[в] = 1,3[ор]/£р. (17.36)

При отсутствии данных о ползучести материала формулы расчета применимы при условии, что расчетная температура стенки обечайки из углеродистой стали не превышает 380 °С, из низколегированной — 420 °С, из аустенитной — 525 °С.

Рис. 17.11. Графики для определения [е]: / — для углеродистых в низколегированных сталей; 2 — для коррозиоиностойких аустенитных сталей

Толщина трубной решетки, исходя из условия закрепления труб разваль цовкой с обваркой, определяется из условия

(0,435^ + 0,0015) 10- >0>01м

«р — ат

где dT — наружный диаметр труб, м; tp — шаг отверстий в решетке, м.

Для многоходовых по трубному пространству теплообменных аппаратов необходима проверка условия жесткости трубной решетки по следующей фор­муле:

W = -44- (riQ + Т£М) < [V], (17.38)

Ауах

где [ш] принимается в зависимости от диаметра аппарата D:

Dt м................. <0,6 0,6—1,0 1,2—2,0 >2,0

[w], м 0,0007 0,0009 0,0011 0,0012

Проверка прочности и жесткости труб. Прочность труб должна удовлетворять следующим условиям:

При Рт < 0 необходимо проверить устойчивость труб по условию их жест­кости по формуле

(17.41)

где у — прогиб труб, м; у ] — допускаемый прогиб труб, м, принимаемый меньше зазора между трубами tP — rfT с учетом начального их прогиба; В — безразмер­ный коэффициент, определяемый по рис. 17.12 в зависимости от параметра

X = PTl2np/(ETJT). (17.42)

375

Условие прочности соединения труб с трубной решеткой при развальцовке имеет вид

? = |Дг1/(<Мв) «£[?]. (17.43)

Здесь [17] — допускаемая нагрузка, приходящаяся на единицу площади условной поверхности (МПа), определяемая для гладкозавалъцованных труб по формуле

[</] = min {(0,252ох. р — 0,234ат. т); 0,107ат. т},

но не менее 14,7 МПа, где от. Р, от. т — пределы текучести материалов соответ­ственно трубной решетки и труб при расчетной температуре.

Для труб, завальцованных в пазы, q] = 29,4 МПа; для труб, завальцован - ных с отбортовкой, [9] = 39,2 МПа.

Для материалов, у которых предел текучести при расчетной температуре меньше а* = 226 МПа, величина [7] должна быть уменьшена в отношении а*/от. Увеличение предела текучести в расчет не принимается.

Условие прочности соединения труб с трубной решеткой при приварке имеет вид

т = (I Рт I dT + 4 I Мх |)/(я<Й6) « [т]. (17.44)

Здесь S — расчетная высота сварного шва в месте приварки трубы к решетке; [т] — допускаемое напряжение при срезе сварного шва, определяемое по фор­муле

[т] = шіп {фс [а]; 0,5 [а]},

где [о] — меньшее из значений [о] для трубной решетки и труб; фс = 0,95 — — 0,21g N N — число циклов нагружения (число теплосмен за весь срок службы аппарата).

Условие прочности соединения труб с трубной решеткой при развальцовке с обваркой имеет вид

[т]/т + 0,6 lq]/q > 1. (17.45)

Проверка прочности кожуха в месте соединения с решеткой. Условие проч­ности в месте соединения кожуха с трубной решеткой (только для конструкций по рис. 17.3, в—ж) проверяется по формуле

К ( | <?К I S, + 6 | мк |)/ВД « [е]. (17.46)

Если условие (17.46) не выполняется, то в указанном месте устанавливают переходную обечайку увеличенной толщины длиной не менее 2 yrDs1.

Условие устойчивости кожуха проверяется по формуле

-у - ак£к < фс [а]. (І7.47)

где

Д< = (*к-*о)---- £-(*т -<о).

ак

7' = 1+у1Г1-Г1/(Г3 + р1)].

Допускаемая разность температур в кожухе и трубах в аппаратах с прямыми трубами и неподвижными трубными решетками

[Д^] < Тфс [ст]/(ак£к)- (17.48)

Если условие (17.48) не выполняется, то необходимо выбрать конструкцию теплообменного аппарата с компенсатором на кожухе, с плавающей головкой или U-образными трубами.