19. Теплообменные аппараты. Определение температурных усилий и напряжений в корпусе и трубках та типа тн (Привести расчетную схему, формулы без вывода.Анализ формул).

Теплообменные аппараты применяются для нагревания, охлаждения, конденсации и испарения различных жидких, газообразных и газожидкостных сред (теплообменники, подогреватели, конденсаторы, холодильники, кристаллизаторы).

Передача тепла в теплообменниках осуществляется от среды, имеющей более высокую температуру к среде с более низкой температурой. Движущей силой при теплообмене является разность температур сред. Теплообмен осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и теплоизлучения. В большинстве случаев среды в теплообменных аппаратах не смешиваются между собой и отделены друг от друга листом (в спиральных, пластинчатых аппаратах и аппаратах с рубашкой или стенкой труб (в кожухотрубчатых аппаратах), их движение осуществляется параллельно или противотоком по двум и более (при нескольких теплоносителях) пространствам аппарата.

Такие теплообменные аппараты называются поверхностными.

Аппараты, в которых теплообмен между средами осуществляется путем их непосредственного соприкосновения, называются теплообменными аппаратами смешения. Такие теплообменники имеют весьма ограниченное применение на технологических установках нефтеперерабатывающих заводов.

Весьма важен правильный выбор ТОА по типу, размерам, массе, с точки зрения монтажа, ремонта и эксплуатации.

Следует иметь ввидупри выборе теплообменников, что:

1) коэффициент теплопередачи сильно зависит от чистоты стенки поверхности теплообменника на всем протяжении рабочего цикла. Для устранения загрязнений:

а) применяют ингибиторы коррозии;

б) подбирают скорости потоков с тем, чтобы на стенках труб не осаждалась эмульсия;

в) выбирают другие типы теплообменников, например, вместо кожухотрубчатых – труба в трубе, погружные и так далее.

2) необходимо обеспечить равномерное движение по всему сечению затрубного и трубного пространства.

При малом расходе жидкости и большом сечении распределительной коробки одна из сред будет проходить не по всем трубам, а только по пути наименьшего сопротивления. Для равномерного распределения потоков необходимо уменьшить живое сечение для потоков и создавать подпор в распределительной камере.

3) при работе кожухотрубчатых теплообменников, конденсаторов-холодильников необходимо учесть тот факт, что в случае их остановки в зимних условиях несвоевременный дренаж жидкости из аппарата может привести к размораживанию трубок. Поэтому необходимо предусмотреть дренажное устройство или применять холодильники погружного типа.

4) на современных крупных технологических установках поверхности теплообмена измеряются десятками тысяч кв. метров, поэтому требуются новые более интенсивные по обмену тепла теплообменники. Созданы теплообменники, трубы которых имеют продольные, поперечные, спиральные ребра и так далее.

Основные требования, предъявляемые к теплообменникам:

1) достижение максимального коэффициента теплопередачи при минимальном гидравлическом сопротивлении. Это позволяет уменьшить расход металла, вес, габариты, стоимость теплообменного аппарата.

Обычно чем больше гидравлическое сопротивление, тем больше коэффициент теплопередачи (при прочих равных условиях). Минимальное гидравлическое сопротивление уменьшает потребляемую мощность насосов или компрессоров, снижает расходы на перекачку теплоносителей.

Эти два требования противоречат друг другу, поэтому должен находиться оптимальный вариант;

2) малая засоряемость поверхности, то есть удобство очистки, осмотра и ремонта;

3) обеспечение герметичности поверхности теплообмена во избежании смешивания теплоносителей;

4) обеспечение надежной работы путем правильного выбора материала поверхности, места ввода теплоносителей, чтобы устранить опасную поверхностную эрозию;

5) надежность компенсации температурных напряжений;

6) компактность, она определяется отношением поверхности теплообмена Fк объемуVтеплообменного аппарата.

Типы, основные параметры и размеры ряда стальных теплообменных аппаратов стандартизированы.

Основная часть теплообменников нефтеперерабатывающих установок относятся к кожухотрубчатым.

Мы будем рассматривать лишь кожухотрубчатые теплообменники. Общим для них является то, что они состоят из цилиндрического корпуса (кожуха), помещенных в нем трубного пучка и трубных решеток.

В основу классификации кожухотрубчатыхтеплообменников положен способ компенсации температурных напряжений и деформаций.

Конструктивно указанные аппараты выполняются следующих типов:

а) с неподвижными трубными решетками (ТНА);

б) с линзовым компенсатором на корпусе (ТЛ);

в) с плавающей головкой (ТП);

г) с U– образными теплообменными трубками (ТУ).

Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками (теплообменники жесткой конструкции) состоят из пучка труб, собранных в двух трубных решетках, который вместе с ними жестко закреплен в корпусе теплообменника.

Недостатком является плохая восприимчивость к температурным напряжениям. При различных температурах нагрева корпуса и труб возникают температурные усилия, которые могут привести к нарушению развальцовки и продольному изгибу труб. В связи с этим теплообменники жесткого типа применяются обычно при.

Расчет кожухотрубчатых теплообменных аппаратов с неподвижными трубными решетками

Конструкция теплообменников жесткого типа характеризуется тем, что их трубные решетки приварены к корпусу аппарата, а трубки развальцованы в решетках. Как было сказано ранее эти теплообменники применяются при сравнительно малой разности температур между теплоносителями в трубном и межтрубном пространствах (не более 50°С). Возникающие температурные напряжения в корпусе и трубках из-за разницы температур их стенок могут привести к нарушению плотности в местах развальцовки.

Представляет интерес определение температурных напряжений в трубках и корпусе данных теплообменников.

При вычислении температурных напряжений в трубках предполагаем, что нагрузка от температурных деформаций одинаково распределена по всем трубкам. Кроме того, деформацией решеток и гибкостью трубок пренебрегаем. Введем обозначения (индекс «т» свидетельствует, что данная величина относится к трубкам, индекс «к» – к корпусу):

l_К,l_Т– длина корпуса и трубок;

α_Т, α_К– коэффициенты теплового линейного расширения трубок и корпуса;

Е_Т, Е_К– модули упругости материала трубок и корпуса;

t_Т,t_K– температуры трубок и корпуса при эксплуатации;

D_H,D_B– диаметры корпуса, наружный и внутренний;

d_Н,d_В–диаметры трубки, наружный и внутренний;

n– число трубок;

S_К– толщина стенки корпуса;

A_Т– площадь поперечного сечения металла всех трубок;

A_К– площадь поперечного сечения стенки корпуса.

Рассмотрим случай, когда t_Т>t_Ки α_Т, > α_К(рисунок 7.1). Если бы трубки и корпус не были жестко соединены друг с другом, то могли свободно расширяться. При этом при нагревании трубки удлинились бы больше, чем корпус, на величину δ (рисунок 7.2, положениеIиII), которая в этом случае определяется по формуле

(7.1)

Эта величина получится из-за разности коэффициентов теплового расширения при нагреве трубок и корпуса до температуры корпуса, а также вследствие дальнейшего нагрева трубок до температуры t_Т.

Рисунок 7.2.1 – Схема температурных деформаций трубок и корпуса теплообменника. 1 – корпус; 2 – трубка.

Поскольку длины трубок и цилиндрической обечайки корпуса равны между собой, то есть , можно записать

(7.2)

В действительности корпус и трубки жестко связаны между собой. При нагревании целостность конструкции не должна нарушаться. Для ликвидации зазора δ трубки будут сжаты на , а корпус растянут на величину(рисунок 7.2, положениеIII), то есть

(7.3)

В результате в трубках возникают сжимающие усилия N_T, а в корпусе – растягивающие усилияN_K, и в рассматриваемом случае каждое из этих усилий равно температурному расширениюN_t, причем для жесткой конструкции должно выполняться равенство

(7.4)

Значения иопределяются по закону Гука из следующих зависимостей:

, (7.5)

. (7.6)

Подставляя в формулу (7.3) выражения деформаций по формулам (7.2), (7.5) и (7.6) находим силу N_t

(7.7)

Определение температурных напряжений в трубках и корпусе

Температурные напряжения в трубках и корпусе выразятся соответственно равенствами:

, (7.8)

. (7.9)

В случае, когда трубки и корпус выполнены из одинакового материала () и, получим формулы для расчета температурных напряжений в трубках и корпусе

, (7.10)

. (7.11)

Из равенств (7.10) и (7.11) следует, что величины напряжений зависят от физико-механических свойств материала трубок и корпуса, от перепада температур и отношения площадей поперечного сечения металла стенок корпуса и трубок и не зависит от длины корпуса и трубок, а отношение температурных напряжений в трубках и корпусе обратно пропорционально отношению площадей поперечного сечения металла трубок и корпуса:

. (7.12)

Величину температурных напряжений, пропорциональную разности температур между трубками и корпусом, равную 1^о, можно оценить по формуле (7.10), приняв в ней. Тогда

. (7.13)

Таким образом, при разности температур, равной одному градусу, возникают напряжения порядка 1,2 МПа.