ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКОВ С УЧЕТОМ НАГРУЗОК ОТ ОБВЯЗОЧНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

В данной работе был проведен расчет теплообменных аппаратов (далее теплообменники) на прочность двумя способами:
1) согласно ГОСТ Р 52857-2007 “Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность”;
2) методом конечных элементов с учетом воздействия нагрузок от обвязочных трубопроводов.

Теплообменники представляют собой устройства, в которых осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодной среде через гофрированные пластины, которые стянуты в пакет (рис. 1).

Корпус, коллектора и пластины теплообменника выполнены из алюминиевого сплава, подводящие трубопроводы из стали.

 

Рис.1. Конструктивные элементы теплообменных аппаратов

 

Для оценки возможности эксплуатации при расчетном давлении и температуре были проведены расчеты по ГОСТ Р 52857-2007, в результате которых определено, что условия прочности для конструктивных элементов теплообменников выполнены.

Однако в реальных условиях эксплуатации теплообменники работают в условиях сложного термосилового нагружения. Наряду с внутренним давлением на алюминиевые элементы теплообменников воздействуют термосиловые нагрузки от обвязочных трубопроводов, изготовленных из стали (рис. 2). Термосиловые нагрузки обусловлены более чем двукратной разницей коэффициентов температурного расширения алюминия (α=2,48·10^-5°С^-1) и стали (α=1,15·10^-5°С^-1).

 

Рис. 2. Расположение элементов с различными материалами

 

В связи с этим было принято решение расчета теплообменников совместно с обвязочными трубопроводами методом конечных элементов (рис. 3) в универсальной программной системе конечно-элементного анализа ANSYS.

 

Рис. 3. Конечно-элементная модель теплообменников

 

К конечно-элементной модели были приложены расчетное давление и температура.

Для определения наиболее опасных зон при воздействии расчетных нагрузок был произведен расчет напряженно-деформированного состояния (НДС). По результатам расчетов были определены 3 наиболее опасные зоны (рис. 4) и проанализированы возникающие напряжения в них.

 

Рис. 4. Карты распределения эквивалентных напряжений (масшт. коэфф. 25), [Па]

 

Согласно ПНАЭ Г-7-002-86 была произведена оценка прочности каждой зоны по допускаемым напряжениям каждой категории* (рис.5).

 

а)

б)                                                                                                  в)

Рис. 5. Карты распределения эквивалентных напряжений (масшт. коэфф. 25), [Па] а) зона I б) зона II в) зона III - место с максимальными (σ)1; - место с максимальными (σ)2; - место с максимальными (σ)RV / (σ)RK

 

Проведенный анализ показал, что в каждой выбранной зоне (σ)₂ превышают допускаемые значения, как следствие условия прочности не выполнены.

 

Выводы:

1) По результатам расчета теплообменников методом конечных элементов с учетом воздействия нагрузок от обвязочных трубопроводов выявлено превышение допускаемых напряжений одной из групп приведенных напряжений.

2) Повышенные напряжения в зоне I частично обусловлены тем, что устройство трубопровода в данной зоне не соответствует требованиям СА 03-005-07, п.6.2.6.

3) Для безопасной эксплуатации рекомендуется изменить конструктивное и/или материальное исполнение теплообменников и обвязочных трубопроводов.

 

*Примечание:
(σ)₁ – группа приведенных напряжений, определяемая по составляющим общих мембранных напряжений;
(σ)₂ – группа приведенных напряжений, определяемая по суммам составляющих общих или местных мембранных и общих изгибных напряжений;
(σ)_RV – максимальный размах приведенных напряжений, определяемый по суммам составляющих общих или местных мембранных, общих или местных изгибных, общих температурных напряжений и напряжений компенсации в оборудовании;
(σ)_RK – максимальный размах приведенных напряжений, определяемый по суммам составляющих общих или местных мембранных, общих или местных изгибных, общих температурных напряжений и напряжений компенсации в трубопроводах.

 

скачать "ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКОВ С УЧЕТОМ НАГРУЗОК ОТ ОБВЯЗОЧНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ"