В работе выполнен тепловой расчет и расчет прочности узла теплообменника «труба в трубе». Определены значения температурных полей и механических напряжений в элементах конструкции теплообменника.
Теплообменник типа «труба в трубе», принцип работы которого основан на постоянном контакте теплоносителя с обрабатываемой жидкостью, используется в технологических системах для нагревания или охлаждения теплоносителя с небольшой поверхностью теплообмена на предприятиях газовой, нефтяной, нефтехимической и химической промышленности. Применяются теплообменники с такой конструкцией и в пищевой промышленности, например, в виноделии и при производстве молочных продуктов.
Конструкция теплообменника типа «труба в трубе» состоит из нескольких прямолинейных участков труб, расположенных друг над другом. Внутренние трубы с меньшим диаметром последовательно соединены друг с другом дугами в полуокружность (переходными каналами), которые крепятся фланцевым соединением.
Теплообменный аппарат проектируется на основании:
- Теплового расчета с определением площадей поверхности теплообменника;
- Конструктивного расчета основных геометрических параметров агрегата и его узлов;
- Гидравлического расчета, определяющего потерю напора.
Расчет теплообменника. Постановка задачи
Целью выполненной работы является выполнение теплового расчета и определение температурного состояния внутренней трубы теплообменного аппарата «труба в трубе», охладителя пирогаза; расчет прочности элементов внутренней трубы теплообменного аппарата, находящихся под действием внутреннего и внешнего давления, рабочих температур.
Состав и параметры смеси рабочей среды (пирогаза) представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1. Состав смеси пирогаза
| Соединение | Массовая доля, % |
| Этилен | 28-29 |
| Пропилен | 16-17 |
| Этан | 8-9 |
| Пропан | 2-3 |
| Метан | 20-22 |
| Пар разбавления | 26-20 |
Таблица 2. Параметры смеси пирогаза
| Величина | Вход | Выход |
| Т, ºС | 865 | 450 |
| Pизб, МПа | 0.11 | 0.09 |
| ρ, [кг/м3] | 0.572 | 1.003 |
| μ, [кг/м•с] | 3.367*10-5 | 2.049*10-5 |
В расчете в качестве допущения принимается линейное распределение температуры пирогаза по длине канала от 865оС до 450оС. Расчетное давление пирогаза Pизб=0.2 МПа.
Данные о характеристиках среды охлаждения: среда охлаждения – пароводяная эмульсия; давление среды = 130 кгс/см2; температура среды = 330оС; коэффициент теплоотдачи = 14500 Вт/(м2 *град).
В качестве расчетной модели рассматривается внутренняя труба, на внутренней и внешней поверхности которой в качестве граничных условий задается конвективный теплообмен с окружающей средой заданной температуры, с коэффициентами теплоотдачи, рассчитанными по аналитической методике.
Для расчетов температурного и напряженно-деформированнного состояния трубы со смесью пирогаза использована программная система конечно-элементного анализа ANSYS. Сетка построена с помощью линейных гексаэдральных конечных элементов, размеры которых по толщине, длине и окружности трубы подобраны для корректного описания искомых величин (температура, перемещения, напряжения).
Тепловой расчет теплообменника
Граничные условия и нагрузки, необходимые для расчёта теплового состояния внутренней трубы охладителя:
- На внутренней стенке трубы задается условие конвекции. Принимается линейное распределение температуры среды по длине трубы от 865ºС на входе до 450ºС на выходе. Принимается линейная зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры. Кроме того, просчитаны дополнительные варианты для постоянных значений коэффициента теплоотдачи 500 и 750 Вт/(м2 *К).
- На внешней стенке трубы, граничащей с кипящей парогазовой эмульсией, задается условие конвекции. Температура среды и коэффициент теплоотдачи принимаются постоянными в соответствии с исходными данными.
- На внешней стенке трубы, граничащей с неподвижным воздухом, задается температура окружающего воздуха 40ºС и коэффициент теплоотдачи 3,7 Вт/(м2 *К).
- По плоскостям симметрии задается адиабатическая стенка (нулевой тепловой поток).
Расчет напряженно-деформированного состояния узла теплообменника
Для расчета напряженно-деформированного состояния узла входа пирогаза создана модель, включающая части внутренней и внешней трубы.
В качестве нагрузки принимается поле температур, полученное в результате теплового расчета, а также давления пирогаза, охлаждающей эмульсии и атмосферы. Кинематические граничные условия не препятствуют деформированию модели, т.е не учитываются возможные усилия, вызванные монтажом и закреплениями, препятствующими деформации конструкции при нагреве.
Граничные условия и нагрузки необходимые для тепломеханического расчета входного узла:
- На внутренней стенке внутренней трубы задается условие конвекции. Принимается линейное распределение температуры среды по длине трубы из расчета 865ºС на входе до 450ºС на выходе из охладителя. Принималась линейная зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры в соответствии с таблицей 5. Давление на стенке задается равным 0.3 МПа в соответствии с исходными данными.
- В межтрубном пространстве задается условие конвекции. Температура среды и коэффициент теплоотдачи принимаются постоянными в соответствии с исходными данными. Давление на стенках 13 МПа.
- На внешней стенке трубы, граничащей с неподвижным воздухом, задается температура окружающего воздуха 40ºС и коэффициент теплоотдачи 3,7 Вт/(м2 *К) и давление 0.1 МПа.
- По плоскостям симметрии задается адиабатическая стенка (нулевой тепловой поток) и равенство нулю нормальных перемещений.
Результаты расчета прочности деталей теплообменного аппарата (эквивалентные напряжения, определенные по теории наибольших касательных напряжений) представлены на рисунке.
Заключение
1. На основе предоставленных данных проведен расчет теплофизических свойств смеси пирогаза и коэффициентов теплоотдачи на внутренней и внешней поверхностях трубы, необходимые для постановки задачи расчета температурного и напряженного состояния конструкции.
2. В результате теплового расчета внутренней трубы теплообменного аппарата было получено распределение температур по ее стенке. Максимальные значения температуры в различных узлах приведены в таблице 6.
3. Расчет тепломеханического состояния входного узла показал, что уровень максимальных эквивалентных напряжений в линейно-упругой постановке достигает 300-370 МПа, что значительно превышает допустимое значение 140 МПа. Это свидетельствует о возможном превышении предела текучести стали, необходимости проведения поверочного расчета в нелинейной (упруго-пластической) постановке и оценки циклической прочности конструкции.
4. В тепломеханическом расчете предполагалось, что условия закрепления теплообменника не препятствуют свободному деформированию материала труб под действием нагрева. Для учета возможного влияния закрепления необходимо моделирование всей геометрии теплообменника до ближайших жесткозакрепленных точек.
5. Оценка коэффициента теплоотдачи на внутренней стенке трубы с пирогазом проведена по вычисленным значениям вязкости, теплоемкости, теплопроводности для принятого состава смеси пирогаза. Однако, эти свойства чувствительны к составу смеси пирогаза, а, следовательно, при отклонениях в составе смеси от указанных в таблице 1 изменятся и значения коэффициента теплоотдачи. Кроме того, при оценке коэффициента теплоотдачи не учтена локальная интенсификация теплообмена на поворотах потока и его зависимость от неравномерности поля скорости. Для более точного определения распределения коэффициента теплоотдачи по внутренней стенке трубы необходимо проведение детального моделирования течения пирогаза и теплообмена.
