CC BY
89
УДК 66.045.122
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
М.Н. Каменский, А.М. Козлов
Показаны основные преимущества разработки конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата в системе автоматизированного проектирования, в которой смоделированы все основные элементы теплообменника с учетом действующих напряжений.
Ключевые слова: кожухотрубный теплообменный аппарат, система автоматизированного проектирования, трубная решетка, метод конечных элементов.
Наиболее широкое распространение среди рекуперативных теплообменников на химических производствах получили кожухотрубные теплообменные аппараты, обладающие простотой в изготовлении и надежностью в работе. В этих теплообменниках одна из обменивающихся теплом сред движется в трубном пространстве, а другая - омывает наружную поверхность труб.
Требования, предъявляемые к современным теплообменникам все время ужесточаются, а разнообразие эксплуатационных параметров и свойств сред, в которых они работают непрерывно расширяется. Это приводит к увеличению экспериментальных и теоретических разработок, выполняемых при проектировании. В связи с этим для разработки конструкции теплообменных аппаратов наиболее рационально применить современные системы автоматизированного проектирования (САПР).
Применение САПР дает возможность проводить прочностные расчеты, корректировать размеры эскизов, моделировать процесс работы оборудования. Использование цветной графики в САПР позволяет выделять сборочные узлы и акцентировать внимание на ответственных элементах конструкции, а сохранение файлов разработанных деталей с расширением step обеспечивает возможность их использования в различных автоматизированных системах.
Особый интерес в процессе проектирования кожухотрубных теплообменников составляет разработка конструкции трубной решетки, а также выбор способа крепления в ней трубок.
При использовании САПР необходимое количество отверстий под трубки равномерно распределяется в трубной решетке, а сами трубки создаются методом копирования одной, ранее разработанной. В случае обнаружения ошибок система указывает на них, и просчеты устраняются конструктором. На рис. 1 представлена разработанная в САПР сборка трубного пучка с трубной решеткой (рис. 1, а) и с корпусом проектируемого теплообменного аппарата (рис. 1, б).
Известно [1], что теплоноситель с более высоким давлением направляют в трубное пространство; теплоноситель, способный вызвать кор-
40
розию металла, следует направлять по трубам во избежание коррозии корпуса аппарата; более нагретый теплоноситель следует пропускать по трубам, так как при этом уменьшаются потери тепла в окружающую среду.
а б
Рис. 1. Сборка трубного пучка: а - с трубной решеткой; б - с корпусом теплообменного аппарата
В связи с тем, что детали теплообменного аппарата должны обладать высокой химической стойкостью к рабочей среде, то необходимо на стадии проектирования выполнить рациональный выбор конструкционных материалов для всех его элементов и определить напряжения, возникающие в результате действия температуры и давления.
Так как в процессе работы элементы теплообменника имеют различную температуру, то удлинение труб А/т и корпуса А/к составит:
А/т = ат •1 (/т - /8); А/к = ак •1 (/к - /8),
где ат, а к - коэффициенты линейного расширения материала труб и корпуса; / - длина корпуса и труб; Т, /s, /к - температуры труб, окружающей среды и корпуса теплообменника соответственно.
Температурные напряжения в трубах вТ и корпусе ак, изготовленных из одного материала определяются следующим образом:
/ а(А/т — А/к )ЕРк / а(А/т — А/к )ЕЕт
ат =------г- , /г----; ак =-------г г---------,
гт + Гк г т + г к
где А/т = /т — /я, А/к = /к — /я ;
а - коэффициент линейного расширения материала труб и корпуса; Е -модуль упругости материала труб и корпуса; Гк, Гт - площади поперечного сечения корпуса и труб теплообменника.
Возникающие в результате действия давления напряжения в трубах
Р Р
ат и корпусе а к теплообменника определяются по зависимостям:
р ^^ . аР QPEк
ат =---------------; а к =---------------,
EтFт + EкFк EтFт + EкFк
где ^ = Pм 4 (Д2 - Ын)+ pт ПЫв;
PM, Рт - давления в межтрубном и трубном пространствах; D - внутренний диаметр теплообменника; п - число труб; dн, - наружный и
внутренний диаметр труб; Eт, Eк - модуль упругости материала труб и корпуса [2].
Для определения напряжений, возникающих от температуры и давления, а также краевых сил и моментов, образующихся при креплении трубных решеток с корпусом теплообменника, наиболее рационально применить метод конечных элементов (МКЭ).
При использовании МКЭ в системе автоматизированного проектирования задается конструкционный материал всех составных частей теплообменника, производится их разбивка на конечные элементы, прикладываются нагрузки, которым подвергается аппарат в процессе работы, и производится расчет. В результате этого определяются напряжения, возникающие в процессе работы от давления и различной температуры труб и кожуха, что позволяет экономить время и средства на проведение натурных экспериментов.
В случае, когда суммарные напряжения в теплообменнике будут превышать допустимые, то на этапе разработки конструкции в САПР существует возможность оперативного внесения изменений в проект, например, изменить конструкционный материал или предусмотреть установку линзового компенсатора, а также учесть и другие конструкторские решения, обеспечивающие наибольшую интенсивность теплообмена.
а б
Рис. 2. Разработанная конструкция кожухотрубного теплообменного аппарата: а - общий вид; б - вид в разрезе
После проведения необходимых расчетов, выбора метода крепления труб в трубных решетках и варианта их соединения с корпусом, с учетом возникаемых краевых сил и моментов, проводится сборка всех разработанных деталей кожухотрубного теплообменного аппарата (рис. 2 а, б). При этом САПР автоматически проверяет взаимные наложения элементов и позволяет избежать установку деталей на уже занятые места, что значительно облегчает труд проектировщика и сокращает число ошибок.
В результате использования систем автоматизированного проектирования разработана конструкция кожухотрубного теплообменного аппарата. При этом установлено, что применение САПР позволяет на стадии проектирования сравнивать различные конструкторские решения и выбирать наиболее эффективные, а также обеспечивает сокращение количества ошибок, увеличение производительности труда конструктора, а в результате - уменьшение сроков проектирования и себестоимости работ.
Список литературы
1. Основы проектирования химических производств / под ред. А.И. Михайличенко. М.: ИКЦ «Академкнига», 2010. 373 с.
2. Машины и аппараты химических производств / под ред. А.С. Тимонина. Калуга: Изд-во Н.Ф. Бочкаревой, 2008. 872 с.
Каменский Михаил Николаевич, канд. техн. наук, доц., MKamensky@yandex.ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,
Козлов Александр Михайлович, канд. техн. наук, доц., k ohpadialog.nirhtu.ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева
FEA TURES OF DESIGNING A SHELL AND TUBE HEA T EXCHANGER M.N. Kamensky, A.M. Kozlov
In work shows the main advantages of designing a shell and tube heat exchanger in a CAD system, where modeled all the basic elements of the heat exchanger taking into account existing strains.
Key words: shell and tube heat exchanger, a CAD system, tube sheet, finite element
method.
Kamensky Mikhail Nikolaevich, candidate of technical science, docent, MKa-menskyayandex.ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,
Kozlov Alexander Mikhailovich, candidate of technical science, docent, k ohpadialog. nirhtu. ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University
