ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Анализ напряжений из "Расчет и конструирование теплообменников" Способность конструкций теплообменников сопротивляться статическим нагрузкам от собственного веса и от давления можно рассчитать приблизительно с той же степенью достоверности, что и параметры теплообмена и перепада давлений (т. е. с вероятной ошибкой от 20 до 50% в зависимости от сложности системы), а возникающие при этом задачи примерно эквивалентны по трудности анализу течения жидкостей и теплообмена. Гораздо труднее аналитически рассчитать долговечность конструкции в условиях циклических резких изменений температурного режима, причем ошибка в определении срока службы до разрушения может быть десятикратной. В настоящей главе бегло рассмотрены наиважнейшие основные проблемы и даны простейшие расчетные методы, пригодные для предварительных оценок. Приведены ссылки для использования в более уточненных и тщательных расчетах при установлении окончательных конструкций. Из этих источников наиболее широко распространены нормы ASME для ненагреваемых сосудов давления [I]. [c.139] Это выражение можно получить на основе рассмотрения цилиндрического элемента, разрезанного осевой плоскостью, приравняв силы от давления, стремящиеся переместить половины цилиндрического элемента в разные стороны, силам от окружных напряжений, стремящимся удержать эти половины. Аналогично можно показать, что напряжение в сферической оболочке равно половине напряжения в цилиндрическом элементе такого же диаметра и с той же толщиной стенки. [c.139] Методы расчета толстостенных цилиндров значительно более сложны, так как напряжения в них изменяются с радиусом. Для получения результатов, хорошо согласующихся с экспериментом, следует применять специальные методы расчета [2, 3]. [c.139] Днища сосудов давления. Кожухи теплообменников и сосуды давления могут иметь полусферические, эллипсоидальные и плоские днища. Легче всего рассчитать напряжения для сферического днища. В идеальном случае толщина сферического днища должна быть вдвое меньше толщины цилиндрической части, если хотят получить одинаковые напряжения в обоих элементах. [c.139] Степень сплющенности эллиптического днища часто выбирают такой, чтобы напряжения в днище не превосходили напряжений в цилиндрической части при равенстве толщин стенок в обеих деталях. Для этого большой диаметр эллипсоида должен быть приблизительно вдвое больше малого. [c.140] Взаимодействие между цилиндрической частью и плоским днищем сварного сосуда давления является важным фактором при определении напряжения в днище. На рис. 7.1 показаны схемы изгиба конструкции для трех типовых случаев а — днище без защемления, кромки которого свободно поворачиваются относительно сосуда б — днище выполнено с жесткой заделкой кромок (например, тонкостенное днище, приваренное к толстостенной цилиндрической части сосуда) в — днище вварено в сосуд с толщиной стенок, примерно равной толщине стенки днища, так что обе стенки деформируются совместно под действием внутреннего давления. Последний случай ближе всего соответствует обычно встречающимся конструкциям, но слишком сложен, чтобы рассматривать его в настоящей работе. Отметим, что, согласно уточненному расчету [4], максимальное напряжение в днище будет меньше, чем при полной заделке кромок, но максимальное напряжение в обечайке будет больше. [c.140] Скачок напряжений в месте перехода днища в цилиндрическую часть порождает серьезные проблемы при конструировании установок не только с плоскими днищами, но также и со сферическими, эллипсоидальными и коническими днищами [5—7]. Пусть, например, сферическое днище изготовлено из листа такой же толщины, как и обечайка. При нагружении внутренним давлением диаметр днища стремится увеличиться на величину, равную лишь. [c.140] И рассчитывать конструкцию переходной части от толстостенного цилиндра к сферическому днищу, чтобы снизить до минимума скачок напряжений, возникающий в стыке. [c.141] В сосудах давления следует предусмотреть отверстия не только для ввода и вывода теплоносителя, но также для опорожнения, очистки и доступа внутрь при осмотре и ремонте. Если стенка сосуда давления вокруг такого отверстия недостаточно толста, то местные напряжения, создаваемые внутренним давлением, будут приблизительно в три раза превосходить среднее напряжение в сосуде даже у небольших отверстий 8]. Если число отверстий невелико и они расположены далеко друг от друга, то обычно для устранения высоких местных напряжений делают местное утолщение стенки до трехкратной толщины по сравнению с расчетной толщиной для днища без отверстий путем вварки штампованной заготовки или приварки платиков, как показано на рис. 7.3, а и б 19, 10]. Если же число отверстий велико, то экономичнее сосредоточить отверстия в сферическом или эллипсоидальном днище, выполнив всю его стенку в полтора раза толще, чем стенку обечайки. При таком решении следует располагать отверстия на взаимном расстоянии не менее трех диаметров отверстия во избежание чрезмерных напряжений в промежутках между отверстиями. При любой из приведенных выше схем расположения концентрацию напряжений вблизи отверстий можно значительно снизить, если вварить в отверстия отрезки толстостенных труб, как показано на рис. 7.3, в, причем рекомендуется, чтобы труба имела свободную длину примерно в один диаметр с каждой стороны стенки сосуда. Дальнейшее увеличение свободной длины трубы оказывает малое влияние на напряжение в стенке вблизи ввода из-за ограниченности действия сдвига. [c.141] Иногда требуется соединить две секции сосуда давления, имеющие разные диаметры, или присоединить к сосуду давления ввод, диаметр которого сравним с диаметром сосуда. Метод расчета такого соединения слишком специален. [c.142] Чаще всего эллиптические лазовые отверстия имеют размеры 300 X 400 мм иногда встречаются отверстия размером 275 X 375 мм. [c.142] Фланцы. Часто требуется применить фланцевое соединение между днищем и собственно корпусом, чтобы иметь возможность извлекать содержимое. Такие фланцы обычно скрепляют болтами или разнообразными разрезными кольцами и скобами (рис. 7.5). Фланцевые соединения неизбежно создают напряжения изгиба в оболочке, и поэтому возникает необходимость в утолщении стенок вблизи соединения [13—15]. Такое утолщение легко выполнить, если стенки сравнительно тонки. В толстостенных сосудах, например в корпусах реакторов с кипящей водой, основная толщина стенки может доходить до 200 мм. В таких случаях фланцевое соединение может определять до 35% полной стоимости корпуса. [c.142] Связанные с этим вопросы рассмотрены далее в разделе Гильзовые термокомпенсаторы . [c.143] Сосуды нередко устанавливают на кронштейнах, на которые сосуд опирается фланцем, предусмотренным для соединения с днищем (см. рис. 7.6, б), поскольку стенку сосуда в этом месте все равно приходится утолщать для восприятия напряжений изгиба, возникающих при фланцевом соединении. [c.143] Особенно большие, но относительно тонкостенные сосуды требуют более сложного подхода во избежание возникновения высоких концентраций напряжения вблизи опор. Такие сосуды иногда монтируют на стойках, расположенных на равных расстояниях по периферии сосуда (см. рис. 7.6, в), причем нагрузка от сосуда к стойке передается соединением, работающим на сдвиг. [c.143] Трубные решетки. Наиболее распространенный способ присоединения труб к коллекторам или каналу — применение трубной решетки (см. рис. 1.8). Расчету на прочность трубных решеток было посвящено много работ [17—21]. [c.143] Точные решения исключительно сложны, но оказалось возможным дать ряд приближенных решений, сравнительно легко приложимых для практических задач. Например, если требуется сконструировать трубную решетку для восприятия большой разности давлений, такую решетку обычно вваривают в кожух теплообменника. Хотя при этом запас прочности решетки возрастает, но эффект защемления невелик, так как толщина решетки значительно больше толщины стенки кожуха. В этом случае напряжение в трубной решетке можно аппроксимировать равенством (7.2) для свободно опертой плоской пластины, видоизменив его для учета концентрации напряжений вблизи отверстий и уменьшения поперечного сечения пластины, вызванного удалением материала из отверстий. При использовании равенства (7.2) представляется очевидным, что напряжение в трубной решетке не просто прямо пропорционально разности давлений и квадрату отношения ее радиуса к толщине, но является также функцией отношения шага отверстий к их диаметру. Коэффициент концентрации напряжений для небольших, далеко отстоящих друг от друга отверстий равен приблизительно трем, однако он снижается с увеличением отношения диаметра отверстий к шагу. Изменение этого коэффициента в большой степени снижает выигрыш от уменьшения эффективной площади сечения, когда отношение диаметра отверстий к шагу возрастает приблизительно до 0,5. Дальнейшее увеличение диаметра отверстий вызывает быстрое возрастание напряжений. Удобный способ определения максимальных напряжений основан на использовании графика рис. П6.2, который был построен в соответствии с нормами ASME для паровых котлов по единой кривой можно определить влияние коэффициента концентрации напряжений и потерю металла в отверстиях. [c.144] Таким образом, трубная решетка диаметром 1000 мм должна иметь толщину 200 мм. [c.144] Коллекторы. В теплообменниках некоторых типов, в частности в парогенераторах, часто желательно объединить один или несколько трубных пучков, связывая их при помощи коллекторов. Коллектор можно сконструировать в виде небольшого барабана, например в виде пакета коллекторных элементов приблизительно квадратного поперечного сечения, как показано на рис. 7.7. В последнем случае геометрия слишком сложна для возможности надежного аналитического расчета на прочность, и приходится определять прочность экспериментальным путем. В процессе испытаний необходимо циклически воспроизводить изменение давления по тому же закону, что и в реальных условиях, ибо в результате пластических деформаций при немногих циклах нагружения чрезмерно высокие местные напряжения могут быть сняты без разрушения. Разрушение может произойти после большого числа циклов. Эта проблема рассмотрена более подробно в разделе о циклических температурных деформациях. [c.144] Экспериментальный анализ напряжений. Сложность формы деталей теплообменников, например днищ, коллекторов, вводов, вызывает иногда необходимость проведения дополнительной исследовательской работы по испытанию моделей в период конструирования. Опыт, накопленный при испытаниях такого рода, весьма полезен и для детального конструирования [23—25]. [c.145] Вернуться к основной статье