Thread Content
Контент взят с публичного аккаунта «ANSYS Analysis Designer». 1. Что такое гибкая тонкая перегородка? Гибкая тонкая трубчатая пластина представляет собой элемент, используемый в теплообменниках для соединения корпуса трубной коробки и корпуса кожуха. Ее основная функция — снижение вторичных напряжений, возникающих из-за слишком большой разницы температур. В практике чаще всего используются четыре типа конструкций соединения гибкой тонкой трубчатой пластины с корпусом трубной коробки и корпусом кожуха. Как видно из приведенных выше рисунков, особенностью гибкой тонкой трубчатой пластины являются скругленные края, которые способствуют снижению значительных изгибающих напряжений в местах соединения пластины с корпусом трубной коробки и корпусом кожуха, а также самих теплообменных труб. Однако радиус скругления краев оказывает двойное воздействие на изгибающие напряжения и силы, действующие на соединения: 【1】 Если радиус угла скругления R слишком велик, то способность компенсации напряжений, связанных с разницей температур, повышается. Но при этом увеличивается диаметр корпуса, а значит, и диаметр самой трубчатой пластины. Это приводит к увеличению изгибающих напряжений в центральной части пластины, что, в свою очередь, требует увеличения толщины пластины ； 【2】Если радиус изгиба края R слишком мал, то, хотя диаметр трубчатой пластины невелик и соответственно требуемая толщина также мала, напряжения вторичного изгиба в месте соединения с корпусом увеличиваются; в результате способность компенсировать напряжения, связанные с разницей температур, оказывается недостаточной ； 【3】Изменение силы вырывания: если расчетная толщина пластины-передачи тепла велика, то сила структурной непрерывности, возникающая в месте соединения пластины с теплообменными трубами, увеличивается. Однако при этом увеличивается также площадь сечения в месте соединения, поэтому величина силы вырывания может как увеличиться, так и уменьшиться ； 【4】Радиус сгиба, указанный в стандарте: согласно стандарту SH/T3158, радиус угла поворота трубчатой пластины R не должен быть меньше 2 раз толщины трубчатой пластины и должен составлять не менее 38 мм ； В стандарте GB/T 151 указаны допустимые значения радиуса изгиба R в зависимости от конструкции трубчатой пластины; эти значения не должны быть меньше 38 мм ； А стандарт GB/T150 предусматривает, что радиус изгиба круглой плоской крышки R должен быть не меньше 3 раз размера толщины самой крышки ； Из-за различий в конструктивных формах условия нагрузки на конструкцию также сильно отличаются. Радиус изгиба краев напрямую влияет на величину напряжений первого порядка в центре трубной пластины, а также на напряжения второго порядка в месте соединения трубной пластины с корпусом. Поэтому проектировщики могут использовать стандартные требования в сочетании с результатами расчетов с помощью метода конечных элементов для проведения моделирования и разумного проектирования конструкции. Таким образом можно контролировать величину напряжений первого порядка в центре трубной пластины и напряжений второго порядка в месте соединения на разумном уровне, что позволяет определить оптимальную толщину трубной пластины. 2. Почему следует выбирать конструкцию с гибкой тонкой перегородкой? Теплообменники с гибкими тонкими пластинами широко используются для охлаждения высокотемпературной субстанции, выходящей из реактора, с целью восстановления и комплексного использования тепла. Пластины являются одним из важных элементов теплообменника, обеспечивающих его работу под давлением, а также представляют собой элементы, которые легко повреждаются в процессе эксплуатации. 【Традиционная трубчатая пластина】: (1) Из-за чрезмерной толщины трубчатой пластины процесс передачи тепла в её толщину замедляется, что приводит к слишком высоким температурам труб для теплообмена и самой трубчатой пластины. Это снижает их способность выдерживать давление, делая их слабыми местами теплообменника, которые легко могут треснуть ； (2) Если толщина трубчатой пластины слишком велика, это приводит к образованию большого осевого зазора между трубчатой пластиной и теплообменными трубами. В результате в этом зазоре может накапливаться соль, что способствует образованию налета; кроме того, возникает коррозия под действием хлорид-ионов ； (3) При высоких температурах в теплообменниках с толстыми перегородками сложно обеспечить длительную работу оборудования. 【Гибкая тонкая пластина трубчатого корпуса】: (1) позволяет эффективно снизить разницу температур между газовой и водной сторонами, тем самым предотвращая поломку оборудования из-за трещин на пластине трубчатого корпуса ； (2) Обладает высокой гибкостью, что снижает напряжения в местах изгиба трубчатой пластины; кроме того, это способствует снижению напряжений, возникающих из-за разницы температур между трубчатой пластиной, теплообменными трубами и корпусом ； (3) Улучшилась способность компенсировать тепловое расширение, что позволяет избежать использования экспансионных узлов или конструкций с плавающими головками ； Кроме того, она имеет преимущества в виде экономии материалов, удобства обработки, увеличения длины теплообменных труб и повышения эффективности теплообмена. Однако из-за небольшой толщины гибкой тонкой пластины при производстве пластин теплообменников с большим диаметром необходимо контролировать деформации, возникающие в результате сварки и зажимного соединения. 3. Методы расчета гибких тонких перегородок? 【1. Нормы AD для Западной Германии】Для максимального использования возможностей теплообменных труб в качестве усиления трубчатой пластины, в нормах AD учитывается прочность только зон без опор, а также участков на границе между зонами без опор и зонами с опорами. Теоретической основой этого метода является предположение о том, что трубы служат фиксирующей опорой для трубной пластины, которая представляет собой плоскую пластину, закрепленную при помощи труб. Формула для расчета толщины такой пластины является эмпирической формулой. В расчетных формулах стандарта AD не учитываются напряжения, возникающие из-за разницы температур; кроме того, не указаны допустимые значения разницы температур на стенках и способы ее расчета. При расчете толщины трубчатой пластины согласно стандарту AD учитывается только максимальный диаметр области без труб d2, а не диаметр самого теплообменника; в результате этого толщина трубчатой пластины уменьшается. 【2. Метод расчета по EN 12953】 【3. Метод расчета по SH/T 3158-2009】 Структура из гибких тонких трубчатых пластин находит широкое применение за рубежом. Благодаря ее явным преимуществам, в китайском стандарте SH/T 3158 «Котлы с трубчатыми корпусами для нефтехимической промышленности» также была внедрена структура из гибких тонких трубчатых пластин. Минимальная толщина внутренней и внешней перегородки в зоне расположения труб рассчитывается по следующей формуле: 【Методы расчета согласно GB/T150-2011】 В стандарте GB/T150-2011 были добавлены правила расчета толщины пластин, подвергаемых растягивающим нагрузкам. Эти правила касаются как правильно расположенных опор, так и неправильно расположенных опор. Основные параметры, влияющие на расчет толщины пластины, — это расстояние между опорами L и характеристики самой конструкции опоры K. Формула для расчета толщины пластины при растягивающих нагрузках выглядит следующим образом: при использовании этой формулы для расчета толщины тонких перегородок в зоне расположения труб можно применять значения L и K, соответствующие правильной компоновке опор. В зонах, где нет труб, можно применять значения L и K, соответствующие неправильной компоновке опор. Этот стандарт не предоставляет схемы расположения для различных типов опор, однако в качестве требования стандарта это необходимо уточнить. В этом методе также не указан диапазон температур и давлений, при которых может использоваться конструкция из опорных элементов. При высоких температурах напряжения, возникающие в результате разницы температур, в значительной степени определяют способ отказа такой конструкции. 【5. Методы расчета по GB/T151-2014】 В стандарте GB/T 151-2014 методы расчета гибких тонких перегородок приведены в информационном приложении M. Формула для расчета толщины перегородки выглядит следующим образом: данный стандарт в основном совпадает с методами расчета, указанными в SH/T 3158. Область применения этих методов: допустимое рабочее давление в трубчатой части не превышает 1,0 МПа, а допустимое рабочее давление в корпусной части — 5,0 МПа; кроме того, давление в корпусной части должно быть выше, чем давление в трубчатой части ； Диаметр корпуса не более 2500 мм ； Длина теплообменных труб не превышает 7000 мм ； В то время как SH/T 3518 имеет более широкий диапазон применения: предусмотрен для использования при давлении проектирования, не превышающем 6,4 МПа. По сравнению со стандартными формулами расчета можно сделать вывод, что стандарт GB/T150 сочетает в себе особенности стандартов ASME и JIS, дополняя их положениями, касающимися конструкций опор с нерегулярным расположением, которые не предусмотрены в стандарте ASME. SH/T3158, стандарт AD и GB/T 151 весьма похожи; основное отличие заключается в том, что в SH/T3158 и GB/T151 коэффициент k зависит от типа опоры, а допустимое напряжение также умножается на соответствующий корректирующий коэффициент, тогда как в стандарте AD используется фиксированный коэффициент 0,4.