Меню

Шаг труб в трубчатых теплообменных аппаратах это

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты

Кожухотрубчатый теплообменный аппарат (рис. 4.9) состоит из кожуха и пучка труб, закрепленных в трубных решетках (досках) для создания проточных каналов. В межтрубное пространство подают, как правило, менее, а в трубы — более загрязненный теплоноситель. Крышки распределительных камер и кожух, замыкающие межтрубное пространство, снабжены штуцерами для подвода и отвода теплоносителей.

Рис.4.9. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты непрерывного действия:

а – одноходовой с жестко закрепленными решетками; б – с концентрическими; в – с сегментными перегородками в межтрубном пространстве; г – с температурными компенсаторами на корпусе; д – с плавающей нижней головкой; е – с U-образными трубами; ж – с сальниковым уплотнением на верхней плавающей головке; 1 – корпус или кожух; 2 – трубные решетки; 3 – трубы; 4 – днища и крышки распределительных камер; 5, 6 – фланцы; 7 – опоры

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты применяют для нагрева и охлаждения жидкостей и газов, а также для испарения и конденсации веществ в различных технологических процессах. В частности, их используют как регенеративные подогреватели питательной воды, в системах водоподготовки, в качестве маслоохладителей.

При заданном расходе теплоносителя G, кг/с, и выбранной скорости его движения w, м/с, в трубах их количество в одном ходе теплообменника

Площадь поверхности теплообмена

где l — рабочая длина труб; dcp — их расчетный диаметр, равный

z — число ходов трубного пространства. Длину теплообменных труб рекомендуется принимать 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000 и 9000 мм. В кожухотрубчатых теплообменниках с площадью поверхности до 300 м 2 — не более 4000 мм [7, 8].

Размещение труб в трубных решетках производится по вершинам равносторонних треугольников, по концентрическим окружностям или по вершинам квадратов. Наиболее распространенным способом является первый вариант (рис. 4.10). Количество труб в аппарате в зависимости от их диаметра, диаметра корпуса и числа ходов в трубном пространстве указано в табл. 4.9 [ 7, 8].

Рис.4.10. Размещение труб в трубной решетке:

а – по концентрическим окружностям; б – по вершинам равносторонних треугольников; в – шахматное; г – коридорное

Таблица 4.9. Количество труб в кожухотрубчатых теплообменниках при размещении их по вершинам равносторонних треугольников [ 7, 8 ]

20 25 38 одноходовых двухходовых

одноходовых двухходовых одноходовых

159 19 13 273 61 — 42 — — 325 91 80 61 52 — 400 181 166 111 100 — 600 393 (423) 374 (404) 261 (279) 244 (262) 111 (121) 800 729 (771) 702 (744) 473 (507) 450 (484) 197 (211) 1000 1177 (1247) 1142 (1212) 783 (813) 754 (784) 331 (361) 1200 1705 (1799) 1662 (1756) 1125 (1175) 1090 (1140) 473 (511) 1400 2369 (2501) 2318 (2450) 1549 (1629) 1508 (1588) 655 (711)

П р и м е ч а н и е. В скобках указано количество труб для теплообменников при размещении без отбойников, когда трубы добавлены с двух сторон большого шестиугольника.

Диаметры и шаги отверстий в трубных решетках и перегородках теплообменников, при расположении труб по вершинам равностороннего треугольника, определяют по наружному диаметру труб (табл. 4.10).

Таблица 4.10. Диаметры отверстий в трубных решетках и перегородках кожухотрубчатых теплообменников [ 8 ]

Диаметры отверстий d, mm Шаг между отверстиями, мм в решетке в перегородке 16 16,3 17,0 22 20 20,4 20,8 26 25 25,4 26,0 32 38 38,7 39,0 48 75 57,8 60,0 70

При развальцовке труб шаг s = (l,3 ¸ 1,6) dн, при сварке s = l,25 dн. Минимальная толщина: для стальной решетки d р мин = 5 + 0,125 dн, медной d р мин = =10 + 0,2 dн Толщина решетки проверяется расчетом на прочность с учетом ослабления ее отверстиями и способа размещения труб.

Внутренний диаметр кожуха одноходового теплообменника Dв = s (b – 1) + 4dн или Dв = l,l s \(\sqrt\) ; многоходового — Dв = l,l s \(\sqrt\), где b – число труб на диагонали большого шестиугольника; \(\psi\) – коэффициент заполнения трубной решетки, равный 0,6 — 0,8.

Расчетное значение внутреннего диаметра кожуха округляют до ближайшего из следующего ряда: 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800 и 4000 мм. Цилиндрические кожухи аппаратов можно изготавливать из стальных труб с наружным диаметром 159, 219, 273, 325, 377, 426, 480, 530, 720, 820, 920 и 1020 мм.

Для теплообменников без перегородок площадь живого сечения межтрубного пространства \(_<\text<мт>>=\frac<\pi ><4>\left(_<в>^<2>—<\text>_<н>^<2>z\right)\text<.>\)

Если fмт > f, где f — расчетное значение живого сечения межтрубного пространства, то межтрубное пространство разделяют перегородками на число ходов i = fмт / f. Число ходов в межтрубном пространстве рекомендуется принимать из ряда 1, 2, 3, 4, 6. Для теплообменника, у которого межтрубное пространство разделено на i ходов поперечными сегментными перегородками, приведенное сечение, по площади которого рассчитывается (уточняется) скорость теплоносителя в межтрубном пространстве,

где lc – расстояние между сегментными перегородками; j – коэффициент, учитывающий сужение живого сечения межтрубного пространства\[\phi =\frac<1-_<н>/s><1-\mathrm<0,9>(_<н>/s<)>^<2>>;\]

Lэкв = lc + Dв – 4 b /3 эквивалентная длина пути теплоносителя; b – расстояние от края сегментной перегородки до корпуса аппарата, b = (0,2 ¸ 0,4) Dв.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего назначения изготовляют из углеродистой или нержавеющей стали с площадью поверхности теплообмена от 1 до 2000 м 2 на условное давление до 6,4 МПа. Конструктивно они подразделяются на типы, показанные на рис. 4.9. Основные параметры и размеры кожухотрубчатых теплообменных аппаратов приведены в табл. 4.11 – 4.16.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты типа ТН (c неподвижными решетками) и ТК (с линзовыми компенсаторами на кожухе) изготовляют горизонтальными и вертикальными из углеродистой стали (рис. 4.11). Теплообменники типа ТН применяют для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред с температурой от 30°С до + 350°С на условное давление от 0,6 до 6,4 МПа.

Рис.4.11. Блок из двух кожухотрубчатых теплообменников

При разности температур между теплоносителями свыше 50°С рекомендуется применять теплообменники коллекторного типа, рассчитанные на рабочее давление не более 2,5 МПа [8, 25, 28].

Теплообменники типа ТН, ТК и ТП, изготовленные из углеродистой стали и предназначенные для взрывоопасной или токсичной среды, в зависимости от температуры должны допускаться в работу при пониженном давлении согласно [ 8 ]. При температурах теплоносителя более 400 о С необходимо применять теплообменники, изготовленные из легированной стали.

Основные параметры теплообменников сварной конструкции приведены в табл. 4.13 и 4.14.

Трубы для теплообменников выбирают из условий работы и агрессивности среды. Для стандартных теплообменников применяют трубы из углеродистой стали 10 или 20, коррозионностойкой стали ОХ18Н10Т и латуни ЛОМш 70-1-0,06. Размещение труб в решетках выполняют по вершинам равносторонних треугольников.

Таблица 4.11. Технические характеристики водо-водяных подогревателей, ГОСТ 27590-88 и ОСТ 34-588-68

Обозначение Наружный и внутренний диа­метры корпуса Dн/Dвн, мм Длина подогре­вателя с калачами

Площадь живого сечения, м 2
трубок

межтрубного пространства fмт
01 ОСТ 34-558-68

0,00062 0,00116
03 ОСТ 34-558-68

0,00108 0,00233
05 ОСТ 34-558-68

0,00185 0,00287
07 ОСТ 34-558-68

0,00293 0,005
09 ОСТ 34-558-68

0,0067 0,0122
11 ОСТ 34-558-68

0,00985 0,02079
13 ОСТ 34-558-68

0,01679 0,03077
15 ОСТ 34-558-68

0,02325 0,01464
17 ОСТ 34-558-68

0,03325 0,05781
19 ОСТ 34-558-68

0,04356 0,07191
21 ОСТ 34-558-68

0,06927 0,11544
26 ОСТ 34-588-68

0,00062 0,00116
28 ОСТ 34-588-68

0,00108 0,00233
30 ОСТ 34-588-68

0,00185 0,00287
32 ОСТ 34-588-68

0,00293 0,005
34 ОСТ 34-588-68

0,0057 0,0122
36 ОСТ 34-588-68

0,00985 0,02079
38 ОСТ 34-588-68

0,01679 0,03077
40 ОСТ 34-588-68

0,02325 0,04454
42 ОСТ 34-588-68

0,03325 0,05781
44 ОСТ 34-588-68

0,04356 0,071191
46 ОСТ 34-588-68

Таблица 4.12. Технические характеристики горизонтальных пароводяных

подогревателей, ГОСТ 28679-90, ОСТ 34-351-68, ОСТ 34-352-68,

ОСТ 34-376-68 и ОСТ 34-577-68

Обозначение Наруж-ный и внут-ренний диа­метры корпуса Dн/Dвн, мм Дли-на тру-бок

Приве-денное число трубок в вертика-льном ряду m Площадь поверхности

Площадь живого сечения, м 2
межтруб-ного простран-ства

Трубные решетки теплообменников с диаметром кожуха от 600 до 1200 мм, предназначенные для агрессивных сред, изготовляют из двух слоев стали: ВМСтЗсп вместе с Х18Н10Т или из 16ГС вместе с Х18Н10Т.

Теплообменники типа ТН и ТК могут быть собраны в блоки, состоящие из нескольких горизонтальных аппаратов. Количество аппаратов в блоке и габаритные размеры принимают по суммарной площади поверхности теплообмена [ 8 ].

Теплообменники с плавающей головкой (рис. 4.3 и 4.12) применяют для нагрева или охлаждения жидких и газообразных сред в пределах рабочих температур от 30 до +450 °С и условного давления от 1,6 до 6,4 МПа в трубном или межтрубном пространстве. Основные параметры вертикальных и горизонтальных теплообменников приведены в табл. 4.12, 4.13 и 4.15. Кожух, распределительная камера и крышки изготовляются из стали ВМСтЗсп или из стали 16ГС. В зависимости от назначения аппарата применяются трубы из стали 20 или сплава АМг2М. Для конденсаторов применяют трубы из латуни ЛОМш 70-1-0,06 или ЛАМш 77-2-0,06. Для нагрева или охлаждения агрессивных сред применяют трубы из стали Х5М или из коррозионностойкой стали ОХ18Н10Т. В этом случае трубные решетки изготовляют из стали 16ГС или двух слоев сталей 16ГС и Х18Х10Т.

Рис.4.12. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой:

1 – крышка распределительной камеры; 2 – распределительная камера; 3 – кожух; 4 – трубы; 5 – крышка кожуха; 6 – крышка плавающей головки; 7 – опора

Рис.4.13. Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными трубами:

1 – крышка распределительной камеры; 2 – кожух; 3 – U-образные трубы; 4 – опора

Теплообменники с U-образными трубами (рис. 4.13) применяют в условиях теплообмена при рабочих тем­пературах среды от –30 до +450 °С. Стандартные теплообменники изготовляют с диаметром кожуха от 325 до 1400 мм и характерными параметрами, указанными в табл. 4.16. Применение теплообменников с U-образными трубами регламентировано условным давлением, которое для нейтральных и невзрывоопасных сред находится в пределах от 1,6 до 6,4 МПа. В теплообменниках с температурой среды от 100 до 450 °С рабочее давление снижается в пределах, указанных в [ 8 ]. Кожух и распределительная камера обычно изготовляются из стали ВМСтЗпс или 16ГС. Теплообменные трубы — из стали 20, а в конденсаторах – из сплава АМг2М.

Расчеты на прочность конструктивных элементов теплообменников из углеродистой или легированной стали выполняют в соответствии с требованиями [ 9 ].

Теплообменные аппараты «труба в трубе» (рис. 4.14) применяют для нагрева и охлаждения жидкостей при давлении до 2,5 МПа и температуре до +450°С. По конструкции различают аппараты жесткой сварной конструкции (тип ТТ), с сальниками на одном или обоих концах труб (тип ТТ-С), с оребренными трубами (тип ТТ-Р). Основные параметры и размеры теплообменников приведены в табл. 4.17. Их изготовляют из цельнокатаных труб. Материал труб – углеродистая или нержавеющая стали.

Рис.4.14. Теплообменник типа «труба в трубе»:

1 – внутренняя труба; 2 – наружная труба; 3 — калач

Последовательное и параллельное соединение отдельных аппаратов «труба в трубе» позволяет создавать теплообменники с площадью поверхности от 1 до 250 м 2 . Простота конструкции аппаратов этого типа позволяет изготавливать их в ремонтных мастерских предприятий.

Таблица 4.13. Теплообменники кожухотрубчатые сварной конструкции с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе [ 8 ]

Источник

Глава 9. Вопросы проектирования, изготовления, монтажа и пуска в эксплуатацию теплообменных аппаратов¶

Весь процесс изготовления теплообменного аппарата, начиная с разработки проекта и заканчивая монтажом, регламентируется рядом государственных и отраслевых стандартов и правил, утвержденных в установленном порядке органами надзора. Соблюдение этих нормативов является обязательным для разработчиков, заводов-изготовителей и монтажных организаций и контролируется государственными органами. Несоблюдение стандартов преследуется по закону.

Основные теплообменные аппараты турбоустановок (конденсаторы, ПСГ, маслоохладители) проектируют и изготавливают обычно непосредственно на турбинных заводах. Остальные аппараты выбираются на этапе проектирования турбоустановки из стандартизированного ряда по специальным каталогам. Некоторые типы теплообменных аппаратов изготавливаются по индивидуальным заказам и чертежам неспециализированными производствами и ремонтными организациями.

В соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» [13] за целесообразность конструктивного решения при проектировании сосуда (теплообменного аппарата), его расчет на прочность и выбор материала отвечает организация, разработавшая конструкцию и выполнившая ее расчет.

Аппарат изготавливают на основе технологического процесса, степень совершенства которого определяет качество, трудоемкость и сроки изготовления изделия, а также потребность в механосборочном и специальном оборудовании и квалифицированной рабочей силе. Технологический процесс разрабатывается специалистами предприятия-изготовителя на основе рабочих чертежей аппарата. Технологию изготовления выбирают обычно с учетом возможностей конкретных производств после сопоставления нескольких вариантов. В технологическом процессе предусматривается порядок и способы изготовления отдельных деталей и узлов, а также последовательность сборки аппарата.

Разработку технологического процесса начинают с подробного анализа конструкции аппарата и требований нормативно-технической документации (НТД) на его изготовление: определяются группа аппарата, марки материалов по ГОСТ, способы заготовительных операций, условия сварки, требования к сварным швам, режимы термической обработки, методы межоперационного и окончательного контроля, условия испытания готового изделия. Далее проводится выбор заготовок и рациональных операций изготовления деталей, определение последовательности рабочих операций, а также выбор необходимого оборудования, инструмента и приспособлений. Завершается разработка технологического процесса определением необходимой квалификации рабочих для различных операций, трудоемкости работ по каждой операции и по всему процессу изготовления аппарата, продолжительности каждой операции, количества расходуемых вспомогательных материалов, размера необходимых производственных площадей и места сборки. На основе технологического процесса изготовления отдельных деталей и сборки аппарата разрабатывают технологические карты и инструкции.

9.1 Основы проектирования теплообменных аппаратов¶

Проектирование теплообменного аппарата —это процесс разработки технической документации, по которой возможно изготовление нового теплообменника, отвечающего заданным требованиям, это творческий процесс определения общей конструкции (схемы) аппарата в целом. Проектирование предшествует конструированию и представляет собой поиск научно-обоснованных, технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений. На этом этапе часто рассматриваются несколько вариантов конструкций. Окончательный вариант конструкции аппарата выбирается на основе проведенных теплогидравлических, прочностных и оптимизационных расчетов.

Следующим этапом работы является конструирование, когда, опираясь на результаты проектирования, проводят более детальную проработку элементов конструкции с учетом технологии изготовления и уточняют все принятые при проектировании инженерные решения.

В процессе конструирования создаются чертежи теплообменного аппарата, формулируются технические требования к изготовлению аппарата и его элементов, разрабатывается техническая документация.

9.1.1. Общие требования к проектированию¶

Теплообменные аппараты турбоустановок должны отвечать определенным общим требованиям, которые являются исходными при их проектировании. К этим требованиям относятся высокая тепловая производительность и экономичность в работе; обеспечение заданных теплогидравлических показателей; простота конструкции, оптимальная стоимость материалов и изготовления, компактность и малый вес аппарата; удобство монтажа, доступность и быстрота ремонта, надежность в работе, длительный срок службы; соответствие требованиям охраны труда, государственным стандартам, ведомственным нормам и правилам Ростехнадзора.

Выполнение каждого из этих требований достигается определенными приемами и методами.

  • Высокая тепловая производительность теплообменного аппарата определяется многими факторами, в первую очередь интенсивным теплообменом, высокой теплопроводностью материала и малым загрязнением поверхности теплообмена, своевременной очисткой трубной системы аппарата, поддержанием оптимального режима работы.
  • Экономичность работы аппарата может быть достигнута малыми затратами энергии на прокачивание теплоносителей, удлинением межремонтных промежутков, максимальным упрощением обслуживания.
  • Заданные проектные показатели работы аппарата обеспечиваются выбором оптимальных температур теплоносителей, правильным расчетом поверхности теплообмена, подбором надлежащих конструкционных материалов, выбором наивыгоднейших скоростей теплоносителей.
  • Простота конструкции, дешевизна, компактность и малый вес аппарата достигаются при конструировании правильным выбором типа аппарата, формы поверхности теплообмена, стоимостью конструкционных материалов, степенью сложности основных деталей и узлов.
  • Удобство монтажа и ремонта, а также надежность в работе и длительный срок службы определяются в первую очередь удачным выбором конструкции аппарата, высокой точностью расчетов на прочность и теплогидравлических расчетов, унификацией и типизацией деталей и узлов, высоким качеством обслуживания, испытаний и ремонтов.

Вновь проектируемый аппарат должен использовать достижения науки и техники в области теории теплообмена, гидродинамики, конструкционных материалов и технической эстетики.

Строгое соблюдение стандартов, технических условий и норм при проектировании (например системы допусков) удешевляет конструирование, изготовление, транспортирование и эксплуатацию теплообменных аппаратов. В частности, необходимо строго соблюдать условия габаритности проектируемого оборудования, сформулированные в ГОСТ 9238―83 для перевозки по железным дорогам. Выполнение правил Ростехнадзора гарантирует надежность и безопасность эксплуатации аппаратов.

При конструировании аппаратов не следует применять большое число типоразмеров даже стандартных деталей, узлов или марок материалов, это упрощает изготовление и ремонт оборудования.

Технология изготовления, определяемая технической оснащенностью завода-изготовителя, и серийность изделия влияют на форму, толщину стенок, надежность и стоимость аппарата. Так, например, снижение веса теплообменника при проектировании имеет важное значение для экономии конструкционных материалов. При этом наибольшее значение имеют уменьшение диаметра теплообменных трубок, увеличение скорости теплоносителей и снижение давления в трубном и межтрубном пространствах.

Вес аппарата растет с увеличением плотности конструкционных материалов и снижается с увеличением допускаемого напряжения [?]. Одним из способов снижения веса теплообменного аппарата (например, ПВД) при проектировании может быть отказ от многоходового кожухотрубного теплообменника в пользу змеевикового аппарата за счет снижения веса корпуса, отсутствия трубных досок, промежуточных перегородок и т. д.

Перечисленные выше требования и условия не исчерпывают всех факторов, имеющих важное значение при проектировании теплообменных аппаратов. Однако даже краткий перечень говорит об их многообразии. Поскольку удовлетворить все требования в полной мере невозможно, максимально полное выполнение этих противоречивых условий и составляет основу рационального проектирования теплообменных аппаратов.

9.1.2. Стадии проектирования¶

Процесс проектирования таких сложных изделий, как теплообменный аппарат, проводится поэтапно в следующей последовательности (согласно ГОСТ 2.103―68):

1. Разработка технического задания на проектирование.

2. Разработка технического предложения.

3. Эскизное проектирование.

4. Выполнение технического проекта.

5. Разработка рабочей документации.

Этап 1. Разработка технического задания

Техническое задание устанавливает основное назначение, технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию, порядок выполнения необходимых стадий разработки конструкторской документации и ее состав, а также специальные требования к изделию (ГОСТ 15.001―88).

Техническое задание на проектирование является первичным, основополагающим документом, которым руководствуются проектировщики, приступая к разработке нового аппарата. Техническое задание разрабатывает либо заказчик, либо конструкторский отдел завода-изготовителя, оно формируется с участием специалистов различных подразделений конструкторского бюро. Основная нагрузка на этом этапе сосредоточена на специализированных отделах—отделе теплообменного оборудования и отделе расчетов. Поскольку отдел расчетов занимается расчетом всей турбоустановки в целом, данные по характеристикам отборов пара и всей турбоустановке выдают специалисты именно этого отдела. Требования, включаемые в техническое задание, как правило, основываются на современных достижениях науки и техники, на результатах выполненных научно-исследовательских и экспериментальных работ.

В качестве примера рассмотрим, как выполняется в условиях турбинного завода проектирование горизонтального подогревателя сетевой воды.

Подогреватель сетевой воды является частью теплофикационной установки турбины и поэтому техническое задание на проектирование подогревателя структурно входит в техническое задание на проектирование турбины как один из его разделов. Техническое задание на проектирование подогревателя определяет основные параметры, характеризующие теплофикационную установку и температурный график тепловой сети.

Основные параметры, необходимые для проектирования подогревателя сетевой воды

Коэффициент теплофикации ТЭЦ (αтэц)

Номинальная теплопроизводительность двух ПСГ (Qном), кВт

Максимальная теплопроизводительность двух ПСГ (Qmax ), кВт

Максимальный нагрев сетевой воды (Δtmax), о С

Максимальный расход сетевой воды (Gв max), м 3 /ч

Максимальная скорость сетевой воды в трубках (wmax), м/с

Номинальный расход сетевой воды (Gв ном), м 3 /ч

Номинальная скорость сетевой воды в трубках (wном), м/с

Номинальное давление сетевой воды (Рсв), МПа

Минимальный расход сетевой воды (Gв min), м 3 /ч

Минимальная скорость сетевой воды в трубках (wmin), м/с

Средняя температура сетевой воды (tв ср ), о С

Недогрев сетевой воды до температуры насыщения пара на номинальном режиме работы (δt ), о С

Коэффициент теплопроводности материала трубок (λ), Вт/(м·К)

Давление отбора пара первого подогревателя сетевой воды (ПСГ-1):

Давление отбора пара второго подогревателя сетевой воды (ПСГ-2):

Как видно из приведенного перечня, в списке параметров кроме давлений пара в отборах турбины присутствует ряд других параметров, выбираемых конструкторами на основании анализа проекта всей турбоустановки, условий эксплуатации и нормативно-справочной информации.

Этап 2.Разработка технического предложения

Техническое предложение разрабатывается в том случае, если это предусмотрено техническим заданием и представляет собой совокупность конструкторских документов, которые должны содержать технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации по аппарату на основании анализа технического задания и различных вариантов возможных конструкторских решений и их сравнительной оценки, а также патентных материалов.

Техническое предложение после согласования и утверждения в установленном порядке является основанием для разработки эскизного проекта.

Этап 3. Эскизное проектирование

Эскизный проект—совокупность конструкторских документов, которые содержат принципиальные конструктивные решения, дающие общие представления об устройстве аппарата и его габаритных размерах (ГОСТ 2.119―73). На этапе эскизного проектирования технические требования, сформулированные в техническом задании, находят свое дальнейшее развитие. При эскизном проектировании формируется представление об аппарате в целом, разрабатывается конструкция аппарата, определяются его технические характеристики. На этом же этапе производятся необходимые тепловые, прочностные, гидравлические расчеты.

Технологическая последовательность эскизного проектирования горизонтального подогревателя сетевой воды приведена на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Технологическая последовательность эскизного проектирования горизонтального подогревателя сетевой воды

Первой стадией эскизного проекта является создание варианта компоновки трубного пучка. Это многоплановая задача, при решении которой закладываются многие факторы, влияющие в последующем на всю конструкцию подогревателя, так как одновременно с компоновкой трубного пучка определяются габаритные размеры корпуса аппарата и расстановка пароприемных патрубков. Поэтому процесс компоновки сопровождается тепловыми и прочностными расчетами, а результатом его является теоретический чертеж.

Теоретический чертеж компоновки трубного пучка представляет собой схему размещения трубок в трубном пучке и их разбивку по ходам воды (рис 9.2).

Рис. 9.2. Фрагмент теоретического чертежа компоновки трубного пучка горизонтального сетевого подогревателя

Тепловые и гидродинамические расчеты производятся в отделе теплообменного оборудования, на основании этих расчетов определяются основные габаритные и присоединительные размеры аппарата. Прочностные же расчеты, как наиболее сложные, производит отдел, специализирующийся именно на этих проектных процедурах—отдел расчетов. Поскольку прочностные расчеты в большинстве случаев выполняются как поверочные, то результаты таких расчетов часто требуют внесения изменений в конструкцию аппарата по условиям прочности, что, в свою очередь, может вызвать необходимость повторного выполнения тепловых и гидродинамических расчетов. Такой цикл расчетов на разных этапах проектирования повторяется неоднократно.

Этап 4. Выполнение технического проекта

Технический проект—это совокупность конструкторских документов, которые должны содержать окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого теплообменного аппарата, и исходные данные для разработки рабочей документации (ГОСТ 2.120―73). Технический проект после согласования и утверждения в установленном порядке служит основанием для разработки рабочей конструкторской документации.

На стадии технического проектирования детализируются решения, полученные при эскизном проектировании. В техническом проекте должны быть отражены все моменты, обеспечивающие высокий технический уровень нового аппарата как в процессе изготовления и сборки, так и в процессе эксплуатации. Все расчеты технического проекта выполняются в окончательном виде, не требующем проверки или уточнения на этапе разработки рабочей документации. Обязательными документами для технического проекта являются чертеж общего вида, транспортировочный чертеж, ведомость технического проекта и пояснительная записка.

Чертеж общего вида является основным итоговым документом этапа технического проекта и содержит всю информацию о подогревателе, полученную на этом этапе (рис. 9.3):

  • изображения изделия (виды, разрезы, сечения), текстовую часть и надписи, необходимые для понимания конструктивного устройства аппарата, взаимодействия его основных частей и принципа работы;
  • наименование, а также обозначение тех составных частей аппарата, для которых требуется указать необходимые технические данные (технические характеристики, количество, указания о материалах, принципе работы и др.). К таким составным частям относятся в первую очередь все присоединения: патрубки, штуцеры, отводы с указанием названия, назначения и размеров. Кроме того, в чертеже общего вида приводится ряд схем, поясняющих работу подогревателя: схемы отвода конденсата из солевых отсеков; отвода паровоздушной смеси и дренирования внутреннего коллектора; контроля давления и температуры греющего пара на входе в ПСГ; контроля герметичности внутренних полостей паровых щитов, отделяющих зону воздухоохладителя, а также подвода конденсата на уплотнение при выявлении неплотности и т.д.;
  • размеры и другие наносимые на изображение данные;
  • технические характеристики подогревателя.

Рис. 9.3. Фрагмент чертежа общего вида ПСГ

В рамках технического проектирования определяются также условия транспортирования, требования к выбору транспортных средств, способы размещения и крепления подогревателя на них, а также производится расчет устойчивости и прочности крепления груза на железнодорожном подвижном составе (чаще всего транспортировка производится по железной дороге).

Транспортировочный чертеж содержит схему крепления подогревателя на подвижном составе, результаты расчета устойчивости и прочности крепления подогревателя. В процессе разработки транспортировочного чертежа определяются тип транспортного средства (платформа, тележка) и способ крепления (растяжками, брусьями). Далее изображается схема крепления подогревателя на подвижном составе, на основании которой производятся расчеты устойчивости и прочности крепления груза, в результате чего подтверждается либо отвергается подобный способ транспортирования аппарата. При этом или изготавливается транспортировочный чертеж, или же принимается другой способ транспортирования. На рис. 9.4 приведен пример транспортировочного чертежа 2 ), применяемых при стандартизации металлических сосудов и аппаратов, а также их сборочных единиц и деталей. ГОСТ 9617―76 регламентирует значения внутренних диаметров сосудов и аппаратов. Для стальных аппаратов рекомендованы значения от 400 до 1000 мм через 100 мм , от 1200 до 4000 мм — через 200 мм . Размеры фланцевых соединений сосудов и аппаратов регламентируются отраслевыми стандартами на условные давления от 0,3 до 16 МПа. Разработаны стандарты и на элементы трубопроводов: фланцы, фитинги, компенсаторы и прокладки для некоторых конструкций.

Главным составным элементом корпуса является обечайка—наиболее металлоемкий и ответственный узел (деталь) любого теплообменного аппарата. Форма корпуса, а, следовательно, и обечайки определяется техническими требованиями, предъявляемыми к тому или иному аппарату, а также конструктивными соображениями проектировщиков, и чаще всего может быть цилиндрической или коробчатой (многогранной).

Наибольшее распространение получили цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления и рациональным расходом материала, поэтому при конструировании аппаратов, если это не противоречит каким-либо особым требованиям, предъявляемым к аппарату, рекомендуется применять цилиндрические обечайки. В зависимости от назначения цилиндрические обечайки находят применение как в аппаратах вертикального, так и горизонтального исполнения, при этом предпочтение следует отдавать вертикальному исполнению, особенно для тонкостенных аппаратов, работающих при небольшом давлении теплоносителя в них. В этом случае исключаются дополнительные изгибающие напряжения в корпусе от действия веса аппарата и теплоносителя в нем, имеющие место в горизонтальных аппаратах, лежащих на отдельных опорах.

При конструировании цилиндрических обечаек, независимо от материала и технологии их изготовления, преимущественно следует придерживаться внутренних базовых диаметров согласно ГОСТ 9617.

При конструировании сварных цилиндрических обечаек, свальцованных из листовой стали, рекомендуется руководствоваться следующими принципами:

  • общая длина сварных швов должна быть возможно меньшей, поэтому листы желательно выбирать больших размеров, сообразуясь с рациональным их раскроем;
  • обечайки вальцуются как по длинной, так и по короткой стороне листа; при раскрое листов рекомендуется обеспечить минимальное количество продольных швов в обечайке;
  • сварка продольных и поперечных швов должна быть только стыковой;
  • продольные швы в отдельных смежных обечайках должны быть смещены по отношению друг к другу на величину свыше трехкратной толщины обечайки и не менее, чем на 100 мм между осями швов;
  • все швы должны иметь доступ для осмотра и, в случае необходимости, для подварки;
  • продольные швы горизонтальных аппаратов не должны располагаться в нижней части обечайки, поскольку в этом случае затруднен их осмотр;
  • отверстия для труб, лазов и т.п. в зоне швов (особенно продольных) делать не рекомендуется.

Обечайки коробчатой формы, получившие значительное распространение в конденсаторостроении, относительно более материалоемкие и более сложные в изготовлении по сравнению с цилиндрическими. Наряду с коробчатыми обечайками в конструкциях теплообменников иногда встречаются отдельные прямоугольные плоские стенки, которые могут рассматриваться как элементы, образующие коробчатую обечайку.

При конструировании коробчатых обечаек и их элементов следует руководствоваться следующими основными положениями:

  • размеры отдельных плоских прямоугольных стенок, по возможности, следует выбирать малыми;
  • при значительных размерах плоских прямоугольных стенок их целесообразно усиливать ребрами;
  • для сварных обечаек сварка элементов плоских стенок из листового проката должна быть только стыковой, вне зоны плавного перехода по радиусу;
  • сварные швы в стенках следует располагать в местах, отстоящих от любого их края на 1/4 расстояния между противоположными краями (укрепляющими ребрами и т.п.);
  • отверстия для труб, лазов и т.п. в зоне швов делать не рекомендуется.

Составными элементами корпусов теплообменных аппаратов являются днища, которые, как правило, органически связаны с обечайкой аппарата и изготавливаются из того же материала. В сварных аппаратах днища обычно привариваются к обечайке. Форма днища (см. рис. 8.3, 8.5) определяется формой сопрягаемой с ним обечайки, давлением среды в нем, конструктивными соображениями. Эллиптическая форма днищ в цилиндрических аппаратах является наиболее рациональной с точки зрения восприятия давления теплоносителя. Этим и объясняется широкое применение в конструкциях аппаратов штампованных из листового проката эллиптических днищ. Штампованные эллиптические днища рекомендуется применять в сварных цилиндрических аппаратах. Размеры и типы штампованных днищ, как правило, должны соответствовать стандартам и нормам.

В обечайках и днищах аппаратов весьма часто требуется иметь разного рода отверстия для штуцеров, вводов труб, люков, лазов и т.п. Такие отверстия могут быть неукрепленными и укрепленными. Неукрепленными считаются отверстия под развальцовку трубок и под резьбу.

Укрепление отверстий обычно осуществляется втулками, накладками и бобышками (рис. 8.6). Основные размеры укрепляющих элементов (высота и толщина втулок, диаметр накладок, высота и диаметр бобышек) определяются, исходя из условия равенства площади сечения материала укрепляемой стенки номинальной расчетной толщины, удаляемого при образовании отверстия, площади сечения добавляемых укрепляющих элементов, изготовленных из тех же материалов, что и укрепляемые стенки (см. гл. 8).

В случае невыполнения этого условия—даже при наличии укрепляющих элементов—отверстия считаются укрепленными частично.

Располагать отверстия эллиптической или прямоугольной формы в цилиндрических обечайках рекомендуется так, чтобы малая ось отверстия была бы направлена вдоль образующей цилиндра.

Трубы, преимущественно цилиндрические и в большинстве случаев изготовленные из пластичных материалов, имеют весьма широкое применение в конструкциях теплообменных аппаратов. Они являются основной составной частью различных типов теплообменников, из них изготавливаются многие внутренние и внешние узлы и детали аппаратов. Выбор материала труб, используемых в качестве узлов и деталей аппарата, должен быть согласован с материалом сопрягаемых деталей аппарата в части коррозионной стойкости, свариваемости и т.д. Обычно трубы характеризуются их наружным диаметром (Dн) и толщиной стенки. При изготовлении узлов и деталей из труб очень часто требуется их гнуть. Гибка труб из пластичных материалов с Dн ? 50 мм производится в большинстве случаев в холодном состоянии, а труб с Dн > 50 мм—в нагретом. Средний радиус гиба труб (Rср) рекомендуется выбирать из условия Rср ? 3Dн. Трубы из цветных металлов и их сплавов допускается гнуть радиусом Rср = 2Dн.

Установка аппаратов на фундаменты или на специальные несущие конструкции осуществляется большей частью посредством опор. Вертикальные и горизонтальные аппараты имеют опоры различных конструкций, определяемых типом аппарата и условиями установки аппарата на месте эксплуатации (рис. 8.18, 8.19, 8.22).

Чаще всего одна из опор жестко соединяется с фундаментом, остальные же должны иметь свободное перемещение относительно фундамента, что достигается установкой под опоры стальных плит, допускающих скольжение по ним опор. В тех случаях, когда исключается изменение длины аппарата от температурных удлинений, допускается устанавливать аппарат на неподвижные опоры. В местах установки опор на корпус аппарата действуют сосредоточенные нагрузки (реакция опор), из-за чего существует опасность местной потери устойчивости корпуса. Поэтому число опор в аппарате должно быть выбрано таким, чтобы обеспечить достаточную прочность и устойчивость корпуса.

Подъем и перемещение аппаратов при их монтаже и демонтаже, осуществляемый различными подъемно-транспортными средствами, производится с помощью строповки аппаратов канатами, цепями или траверсами. Для удобства, надежности и безопасности строповки вертикальных аппаратов на них предусматриваются специальные устройства, за которые аппарат подвешивается к подъемно-транспортному устройству. Подвешивание аппарата за штуцера или какие-либо другие выступающие части обычно не допускается. Устройствами для строповки являются крюки, ушки и монтажные штуцеры (цапфы). Установку на аппарате крюков и ушек рекомендуется производить как можно выше и обязательно выше центра тяжести аппарата. Подъем и перемещение горизонтальных аппаратов осуществляется обычно с помощью строповки их канатами или цепями, непосредственно охватывающими корпус. В отдельных случаях на горизонтальных аппаратах могут быть предусмотрены указанные выше ушки и крюки.

Одним из основных элементом теплообменных аппаратов являются трубные доски, отделяющие внутритрубное пространство от межтрубного и представляющие собой перегородки, в которых закрепляются трубки поверхности теплообмена. По форме трубные доски бывают круглые, кольцевые и многоугольные. Наибольшее распространение имеют круглые доски.

Трубные доски изготавливаются в основном из листового проката, а в ряде случаев—литыми, причем, как правило, материал досок должен быть более прочным и жестким, чем материал трубок.

Размещение трубок в трубных досках производится по вершинам равносторонних треугольников, вершинам квадратов и концентрическим окружностям. Наиболее рациональным является размещение по вершинам равносторонних треугольников, при котором при одном и том же шаге между трубками на трубной доске размещается наибольшее число трубок (см. гл.1). Размещение по вершинам квадратов целесообразно производить при необходимости чистки межтрубного пространства аппаратов. Шаг между трубками в трубных досках зависит от диаметра трубок и способа их закрепления. Способы закрепления трубок в трубных досках приведены в гл. 1.

Практически во всех аппаратах применяются внутренние поперечные промежуточные перегородки, обеспечивающие определенную аэродинамику обтекания трубок и скорость потока, от которой зависит уровень теплообмена в аппарате. Рациональная расстановка промежуточных перегородок позволяет избежать опасной вибрации и связанного с ней разрушения трубок пучка. При установке поперечных перегородок важно обеспечить возможно меньший зазор между корпусом и перегородкой. Обычно радиальный зазор между корпусом и перегородкой составляет не более одного процента от внутреннего радиуса корпуса аппарата. С целью обеспечения технологичности изготовления при конструировании необходимо предусматривать зазоры между трубками и отверстиями в перегородках, а также между внешними краями перегородок и внутренней поверхностью кожуха.

Для предохранения трубок, расположенных напротив входного патрубка, от повреждений необходимо устанавливать отражательную перегородку (щит). Щит обычно изготавливается в виде плоской или изогнутой пластины несколько бόльших размеров, чем внутренний диаметр патрубка d. Если он располагается внутри кожуха, край перегородки обычно помещают на расстояние примерно на 1/4⋅d ниже пересечения стенки патрубка и кожуха, чтобы площадь кольцевого проходного сечения примерно была равна площади патрубка. У выходного патрубка ближайший ряд трубок принято размещать на расстоянии 1/6⋅d ниже патрубка, чтобы обеспечить соответствующую площадь проходного сечения.

Как было сказано ранее, течение теплоносителя без изменения направления называется ходом. Меняя число ходов, конструктор может изменять скорость жидкости внутри трубок; в зависимости от условий процесса может потребоваться организация от 1 до 16 ходов, хотя обычно верхним пределом является 8 ходов. Для организации многоходового движения внутритрубного теплоносителя в камерах устанавливаются плоские металлические пластины—так называемые разделительные перегородки, которые делят камеры на отдельные подкамеры.

В силу наличия градиента температур, возникающего при течении теплоносителей в аппаратах, различные части их во время эксплуатации имеют неодинаковые температуры, вызывающие в жестких конструкциях дополнительные температурные напряжения. Если суммарные напряжения (от давления среды и от температурных расширений) получаются выше допустимых, жесткие конструкции применять не разрешается. В этом случае в аппаратах должны быть предусмотрены устройства для компенсации температурных напряжений.

Применяются в основном следующие два вида компенсаторов: гибкий компенсатор (линза, мембрана), устанавливаемый между частями аппарата, имеющими различную температуру, и сальниковый компенсатор, позволяющий свободно перемещаться отдельным частям аппарата относительно друг друга.

Линзовые компенсаторы (рис. 8.23) могут применяться как в вертикальных, так и в горизонтальных аппаратах, а также в трубопроводах. Область их применения ограничивается относительно небольшими избыточными давлениями, обычно до 0,6 МПа, значительно реже до 1,6 МПа и более. В горизонтальных аппаратах и трубопроводах линзовые компенсаторы должны иметь дренажные отводы. Компенсирующая способность компенсатора примерно прямо пропорциональна числу линз. Количество линз в одном компенсаторе более четырех применять не рекомендуется. Для уменьшения сопротивления движению среды целесообразно устанавливать внутри обечайки аппарата или трубы стакан, привариваемый к обечайке или трубе с одной стороны; в вертикальных аппаратах и трубопроводах—сверху, в горизонтальных—со стороны входа теплоносителя. Для увеличения компенсирующей способности линзовых компенсаторов последние следует при установке предварительно сжать, если они предназначены для работы на растяжение, и растянуть, если они предназначены для работы на сжатие. Сжатие или растяжение компенсатора производится на величину полной деформации его, от чего его компенсирующая способность удваивается.

Существенным преимуществом сальниковых компенсаторов перед линзовыми является возможность применения их при давлениях теплоносителей, значительно бoльших, чем для линзовых. Вместе с тем у сальниковых компенсаторов имеется и существенный недостаток—возможность пропусков рабочей среды и связанная с этим необходимость периодической их подтяжки.

Из всех разъемных неподвижных прочноплотных соединений элементов конструкции аппаратов, наибольшее распространение имеют фланцевые соединения. С помощью фланцев к аппаратам присоединяются всевозможные крышки, трубы, соединяются между собой составные части корпуса аппаратов, трубопроводы и т.д. Чаще всего применяются круглые фланцы, но в ряде случаев приходится применять и фланцы прямоугольной формы. Наиболее технологичной в изготовлении формой фланцев является круглая (рис. 8.8), к которой следует стремиться, если это не противоречит каким-либо особым требованиям, предъявляемыми к тому или иному узлу аппарата. Каждое фланцевое соединение должно быть прочным, герметичным, жестким и доступным для осмотра, сборки и разборки. Герметичность фланцевых соединений достигается обычно наличием уплотнения.

Болты (шпильки) и гайки к ним во фланцевых соединениях должны выбираться по соответствующим стандартам, причем выбирать их рекомендуется с метрической резьбой (с крупным или мелким шагом). Диаметр болтов (шпилек) и расстояние между ними во вновь разрабатываемых фланцевых соединениях целесообразно принимать возможно меньшими. Однако диаметр болтов (шпилек) меньше 12 мм применять не следует, а расстояние между ними должно лежать в пределах 3―5 диаметров болта (шпильки). Всегда следует стремиться выбирать расстояние от наружных размеров уплотнения до осей центров болтов (шпилек) возможно меньшим. Учет приведенных рекомендаций позволит получить наиболее рациональную конструкцию фланцевого соединения с минимальными габаритами, а следовательно, и наименьшим расходом материала. Выбор между болтами и шпильками в соединениях низкого и среднего давлений обусловлен в основном конструктивными соображениями. При этом применение ввинчиваемых в глухое отверстие шпилек является особенно целесообразным в тех случаях, когда это позволяет сократить расстояние от наружных размеров уплотнения до осей центров шпилек. В соединениях высокого давления применяются исключительно шпильки (как ввинчиваемые в глухое отверстие, так и сквозные).

Обтюрация (уплотнение неподвижных разъемных соединений) достигается сжатием уплотняемых поверхностей с определенной силой, обеспечивающей их герметичность либо непосредственно друг с другом, либо через посредство расположенных между ними прокладок из более мягкого материала. Сжатие производится с помощью болтов или шпилек (во фланцевых соединениях). Наибольшее распространение имеет прокладочная обтюрация, применяемая в соединениях низкого, среднего и высокого давлений, а также при вакууме. Применение прокладок там, где это допускается по температурным, коррозионным и другим условиям, позволяет добиться лучшей герметичности и уменьшения необходимой для этого силы сжатия уплотняемых поверхностей. Прокладка должна быть изготовлена из более мягкого материала, чем уплотняемые поверхности. Прокладки могут быть неметаллическими (из материала органического или неорганического происхождения), металлическими и комбинированными. Беспрокладочная обтюрация применяется в основном для малых диаметров при высоких давлениях и в тех случаях, когда невозможно применять прокладки по температурным или каким-либо другим условиям.

9.1.4. Материалы, применяемые при изготовлении аппаратов¶

При проектировании аппаратов большое значение имеет обоснованный выбор конструкционных материалов, поскольку от этого в значительной мере зависят эффективность и надежность разрабатываемых конструкций.

Условия работы теплообменных аппаратов турбоустановок характеризуются широким диапазоном давлений от глубокого вакуума до 20 МПа, а также рабочих температур от 5 до 400 °С, что предъявляет определенные требования к конструкционным материалам для изготовления аппаратов.

При воздействии на детали аппаратов статических нагрузок важными характеристиками для оценки прочности материалов являются предел их текучести σт (или условный предел текучести σ0,2) и предел прочности при растяжении σв.

Упругие свойства металлов характеризуются значениями модуля упругости Е и коэффициента Пуассона μ. Указанные характеристики являются основными при расчетах на прочность деталей аппаратов, работающих под давлением при средних (до 200 °С) и высоких (>200 °С) температурах. При высокой температуре наблюдается значительное снижение основных показателей, характеризующих механические свойства металлов и сплавов. В расчетах на прочность необходимо учитывать эти изменения механических свойств материала. Особенно существенные изменения в условиях длительной работы под нагрузкой при высокой температуре претерпевают углеродистые стали и совершенно незначительные—так называемые жаропрочные стали.

Жаропрочность стали оценивается способностью материала к непрерывному деформированию (ползучесть) и стойкостью против разрушения (длительная прочность) при определенной рабочей температуре и заданном сроке службы аппарата. Жаропрочность стали характеризуют:

1. Предел ползучести σпл, под которым понимают напряжение, вызывающее при растяжении в условиях постоянной температуры определенную постоянную скорость деформации ползучести или обусловливающее получение определенной величины суммарной деформации за заданное время.

2. Предел длительной прочности σдл, под которым понимают напряжение, вызывающее непрерывную ползучесть металла и приводящее к его разрушению при данной постоянной температуре за заданное время.

При расчете на прочность деталей аппаратов, работающих длительное время при высокой температуре, допускаемое напряжение определяют по отношению к условному пределу ползучести или к пределу длительной прочности.

Жаропрочность стали оценивается также ее жаростойкостью, т. е. способностью стали противостоять коррозионному воздействию среды в условиях длительной работы материала при высоких температурах. При непрерывном процессе окалинообразования рабочее сечение металла уменьшается, что приводит к повышению рабочего напряжения и ухудшению условий безопасной эксплуатации оборудования.

Перечень основных требований, предъявляемых к материалам, из которых изготавливаются теплообменники энергетических установок, включает в себя функциональные, технологические, стоимостные и надежностные аспекты, важнейшие из которых приведены ниже:

1. Достаточная механическая прочность для заданного давления и температуры теплоносителей с учетом требований, предъявляемых при испытании аппаратов на прочность и герметичность.

2. Наилучшая способность материала свариваться, обеспечивая высокие механические свойства сварных соединений и их коррозионную стойкость, обрабатываться резанием, давлением, подвергаться изгибу и т. п.

3. Достаточная общая коррозионная стойкость материала с теплоносителями заданных параметров (температуры и давления), также стойкость против возможных видов коррозионного разрушения (межкристаллитная коррозия, электрохимическая коррозия, коррозия под напряжением и др.).

4. Низкая стоимость материала.

При выборе конструкционных материалов для теплообменных аппаратов помимо перечисленных выше требований необходимо учитывать также и некоторые другие дополнительные соображения технико-экономического порядка, такие как технология изготовления аппарата, наличие материала на рынке и др. Необходимо также стремиться к максимально возможному, без ущерба для конструкции, сокращению номенклатуры применяемых марок материалов и типоразмеров.

Хотя обеспечение высокой надежности аппаратов доминирует над экономическими соображениями, тем не менее, целесообразность использования более дешевых конструкционных материалов непременно должна учитываться конструктором. Следует иметь в виду, что использование в полной мере свойств материалов является весьма ответственной задачей на стадии проектирования. Для ее решения необходимо располагать реальными данными об условиях эксплуатации аппарата, на основе которых с помощью существующих методик расчета прочности могут быть проанализированы напряжения в элементах и узлах аппарата в условиях эксплуатации.

С учетом условий эксплуатации теплообменных аппаратов энергоустановок элементы корпусов теплообменных аппаратов обычно выполняются из качественной углеродистой стали марки 20К (ГОСТ 5520―79) или обыкновенного качества Ст3сп (ГОСТ 380―94), фланцы корпуса и водяных камер, а также трубные доски—из стали марок 20К и 22К (ГОСТ 5520―79). Паровые трубы ПВД из-за повышенной температуры греющего пара выполняются из легированной стали марки 12Х1МФ (ГОСТ 20072―74). Все элементы трубной системы, кроме трубок поверхности теплообмена, изготавливаются из стали 20 (ГОСТ 1050―88). В подогревателях низкого давления, выпускаемых Саратовским заводом энергетического машиностроения, фланцы корпуса, водяной камеры и трубные доски выполняются из стали марки 20К; обечайки, днища и другие элементы конструкции―из листовой стали марки Ст3сп. Большинство деталей регенераторов ГТУ изготавливаются из окалиностойких легированных хромом сталей. Для теплообменников с низким уровнем температур в качестве основного материала применяются конструкционные углеродистые стали.

Самым ответственным узлом любого теплообменного аппарата является трубная система. В теплообменных аппаратах с поверхностью теплообмена от 90 до 350 м 2 и температурой теплоносителей до 250 о С применяются трубки из латуни марок Л68, ЛО70-1 (ГОСТ 15527―04) и сплава марки МНЖ5-1 (ГОСТ 492―73). В аппаратах, эксплуатируемых в схемах блоков мощностью свыше 250 МВт (сверхкритические параметры пара), применяются трубки из коррозионно-стойкой стали марки 08Х18Н10Т (ГОСТ 5632―77) или из стали 08Х14МФ. Наиболее распространенным материалом для трубок конденсаторов, работающих на пресной воде, является латунь марок Л68, ЛО70-1 и сплав марки МНЖ5-1. Для трубок конденсаторов, работающих на морской воде, применяется медно-никелевый сплав (мельхиор) МНЖМц30-0,8-1 (ГОСТ 492―73). Теплообменная поверхность пластинчатых регенераторов ГТУ изготавливается из нержавеющей стали 1Х18Н9Т, а трубчатых—из окалиностойкой стали 15ХМ.

При выборе материала трубных систем теплообменных аппаратов турбоустановок конструктор часто руководствуется в основном двумя факторами: изменением тепловой эффективности аппарата и коррозионной стойкостью трубок (т.е. одним из показателей надежности). Однако при выборе материала трубок необходимо учитывать ряд других факторов, имеющих большое значение для принятия решения. Это тем более важно, что в последнее время появился целый ряд новых материалов, из которых могут быть изготовлены трубки для аппаратов. При определении эффективности и технико-экономической целесообразности применения трубок из того или иного материала любой теплообменный аппарат необходимо рассматривать не изолированно, а как органичный элемент турбоустановки.

На рис. 9.5 представлена блок-схема обоснования выбора материала для трубок теплообменных аппаратов турбоустановок. Предлагаемая схема включает в себя совокупность основных факторов, влияющих на выбор материала трубок, а также определяющих конечную эффективность и целесообразность применения этих материалов как во вновь проектируемых аппаратах, так и при рассмотрении варианта замены трубок аппаратов в условиях эксплуатации. Окончательное решение о целесообразности применения тех или иных материалов в конкретном аппарате (в существующих условиях эксплуатации) должно приниматься на основе технико-экономического анализа, учитывающего совокупность всех представленных на блок-схеме показателей для турбоустановки в целом.

Рис. 9.5. Блок-схема обоснования выбора материала трубок теплообменных аппаратов турбоустановок

Исходными данными для анализа являются тип турбоустановки, тип теплообменного аппарата и его место в технологической схеме, параметры теплоносителей, при которых работает теплообменник, водно-химический режим, характеристика материалов трубок, которые предполагаются к использованию в аппарате, а также различные ценовые показатели.

Целесообразность использования трубок из того или иного материала в значительной мере зависит от места аппарата в схеме турбоустановки. В общем случае, чем выше параметры греющего и нагреваемого теплоносителей, тем выше влияние на эффективность работы аппаратов теплотехнических характеристик материала трубных систем и, в частности, термического сопротивления стенки.

Надежность теплообменных аппаратов в целом в основном определяется надежностью их трубных систем. Опыт эксплуатации ПТУ показывает, что в большинстве случаев повреждения трубок ПСГ и ПСВ определяются коррозионно-эрозионным износом стенки трубок.

Коррозионно-эрозионный износ трубок обусловлен следующими основными причинами:

  • несоответствием марки используемого материала трубок химическому составу и скорости охлаждающей воды;
  • возрастанием агрессивности охлаждающей воды, применяемой на ТЭС и АЭС, в результате загрязнения ее промышленными и бытовыми стоками;
  • низким качеством изготовления трубок (особенно из цветных сплавов), в частности низким качеством термообработки трубок на заводах-изготовителях.

В табл. 9.1 приведены некоторые технические характеристики материалов, наиболее часто применяемых для изготовления трубок энергетических теплообменных аппаратов: химический состав материалов, плотность (?), модуль упругости (Е), коэффициент теплопроводности (?) и коэффициент линейного расширения (?). Плотность медных сплавов различается незначительно—от 8600 до 8900 кг/м 3 . Плотность стали и титана ниже, следовательно, трубные пучки из нержавеющей стали и титана легче, чем из медных сплавов. Модуль упругости характеризует прочностные и вибрационные характеристики трубных систем, определяет податливость материала воздействию внешних сил. Трубки из нержавеющей стали имеют самый высокий модуль упругости из всех рассмотренных материалов, однако однозначно считать пучки с трубками из нержавеющей стали более надежными в отношении вибрации нельзя ввиду многообразия физических механизмов ее возникновения.

Коэффициент теплопроводности медных сплавов зависит в основном от содержания меди и никеля, причем увеличение содержания меди повышает коэффициент теплопроводности сплава, а наличие никеля снижает его, хотя и увеличивает одновременно коррозионную стойкость материала. Максимальное значение коэффициента теплопроводности для медных сплавов—у Л96 (ГОСТ 15527―04), а минимальное—у МНЖМц30-1-1 (ГОСТ 492―73), так как это сплав с высоким содержанием никеля. Коэффициент линейного расширения медных сплавов выше, чем у стали, что необходимо учитывать в некоторых случаях при выборе трубок, так как это связанно с различием температурных расширений трубок пучка и корпуса аппарата (см. табл. 9.1), что требует применения различных методов компенсации термических расширений.

Таблица 9.1. Характеристики материалов, применяемых для изготовления трубок энергетических теплообменных аппаратов

Источник

Читайте также:  Диаметр вытяжной трубы газовой колонки вектор
Adblock
detector