Файл: Лехт Р.И. Теория трубных решеток кожухотрубных теплообменников в элементарных функциях.pdf

Предлагаемая читателю книга является реаультатом ра­ боты, проведенной авторами на кафедре "Машины и аппарата химических производств" Новомосковского филиала Московско­ го ордена Ленина и ордена 1рудового Красного Знамени хими­ ко-технологического института им. Д.И.Менделеева. В книге дается теоретический анализ нагруженного состояния трубных решеток основных типов колухотрубных теплообменных аппара­ тов. Исследование доведено до зависимостей, являющихся ис­ ходами при расчете и конструировании трубных решеток. Кни­ га расчитана на научных работников и инженеров, занятых в химическом, нефтяном и энергетическом машиностроении, на специалистов, свяванных с проектированием и эксплуатацией химических, нефтяных и энергетических установок, а такжё на преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных ваве-

дений тех же профилей.

П Р Е Д И С Л О В И Е

Трубная решетка теплообменных аппаратов привлекала и продолжает привлекать внимание инженеров в научных работ­ ников, ванятых в химической промышленности и химическом ма­ шиностроении, На протяжении последних десятилетий в печати было опубликовано достаточно большое количество работ, по­ священных исследованию трубной решетки* Естественно, первые попытки описать нагруженное состояние решетки были весьма примитивны и, давая грубую оценку прочности решетки, пре­ следовали цель вооружить конструктора ориентировочной мето­ дикой расчета. И хотя в этих работах не всегда учитывался температурный фактор, а влияние трубного пучка на работу решетки оставалось не раскрытым,- они бевусловно сыграли'

свою положительную роль в становлении теории трубных репе­ сок.

Качественный скачок в исследовании трубных рещеток на­ метился с опубликованием, работ проф. Б.С.Ковальского. Рас­ сматривая трубный пучок теплообменника как сплошное упругое основание, Б.С.Ковальский получил дифференциальное уравне­ ние, решение которого позволило описать нагруженное состоя­ ние трубной решетки. Как всякая плодотворная идея, предпо­ сылка Б.С.Ковальского, как у нас, так и эа рубежом, приоб­ рела многих последователей, к числу которых смеют отнести себя и авторы этих строк.

Настоящим исследованием делается попытка, не меняя на­ учной сущности вадачи о трубной реиетке теплообменных аппа­ ратов, упростить ее решение и сделать конечный ревультат

- <i

бол»в приемлемым дня инженерной практики. Сделанное с этой целые допущение о незначительном влиянии кривиены (в силу ее малости) упругой линии решетки поеволило получи®»» решен® для трубных решеток раеличных типов теплообменников в эле­ ментарных функциях. Следует отметить, что упрощения, выте­ кающие ю допущения о незначительности влияния кривизны на­ груженной решетки, вносят в ^решение вадачи погрешность, не превышающую погрешности, вносимые допущениями Кирхгофа или предпосылкой Б.С.Ковальского, рассматривающего в принципе днохретный трубный пучок как сплошное оонование. Полученные в настоящей работе конечные ревультаты хорошо соглаоуютоя с данными эксперимента, относительно просты и, вместе с тец учитывают физическое вовдействие широкого комплекса харак­ терных для тепяооОМенной аппаратуры факторов.

Несколько слов о коэффициенте ослабления, вводимом не­ которыми авторами и приеванном скомпенсировать вывванньй перфорацией рост напряжения в решетке. Поскольку многочис­ ленные замеры, проведенные на решетках теплообменников про­ мышленного образца, не обнаружили сколько-нибудь заметных скачков напряжений, высказано предположение об усилении ре­ шеток теплообменшми трубами и на основании етого сочтено возможным отказаться от введения коэффициента ослаблении в конечный результат исследования, ограничившись введением коэффициента перфорации, приводящем цилиндрическую жесткость реиетки-к жесткости некой фиктивной сплошной пластины.

Предложенное настоящим исследованием решение вадачи о трубных решетках дано по следующей схеме. Сначала рассмат­

риваются решетки, свободно опертые по краю, ватеы определя­ ется эффект ваделки и осуществляется пёреход от свободно

- 5 -

опертых в защемленным по контуру решеткам. И хотя не исклю­ чена возможность получения искомых зависимостей непосредст­ венно для решеток, защемленных по контуру, выбор все-такн пал на несколько более длительный путь решения задачи. Со­ ображения, определившие этот выбор, вытекают не стремления,

во-первых, облегчить ход "решения и, во-вторых, получить ре-

шение для свободно опертых решеток на случай, если промыш­ ленной практикой таковой представится, что в принципе впол­ не вероятно.

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ВОПРОСА. ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Широкое применение теплообменной аппаратуры в химичес­ кой, нефтехимической и других отраслях промышленности вызы­

вает естественный интерес к вопросам прочности кик теплооб­

менники в целом, так и отдельных его узлов и деталей.

Особенный интерес в этом отношении представляет труб­

ная решетка теплообменника, работающей! в довольно жестких

условиях нагружения. Трубная решетка подвержена давлен»

рабочих сред трубного н межтрубного пространства теплооб­ менника, а также нагрувке, возникающей в результате тепло­

вого расширения труб и кожуха теплообменника и определяемой перепадом температур рабочих сред трубного и межтрубного

пространства. Следует отметить, что влияние перепада темпе­

- 8 -

Переходя к допускаемых напряжениям, С.Е.Захарченко получает уравнение для определения толщины трубной решат-

_ Г Вил. | 8Р;А*(Ш-Д»)] *

Й Ш Ъ

Hfi - допускаемое напряжение на изгиб для материала ре­ шетки, Полученные С,Ё.Захарченко уравнения весьма приблиен-

тельны и не отражают полной картины изгиба' труоной решетки.

Характер распределения напряжений в материале решетки оста­ ется не выясненным. Не определена также упругая линия реше*-

ви.

Начало созданию научно обоснованных методов расчета было положено сравнительно недавно. В 19ч5 г . публикуется работа Б.С.Ковальского [ 39 ] , в которой трубная решетка рассматривается как круглая пластинка, опертая на сплошное непрерывное упругое основание. При этом Б.С.Ковальокий ста­ вит жесткость перфорированной трубной решетки в зависимость от коэффициента перфорации, а напряжения повышаются путем введения коэффициента концентрации напряжений. Следует от­ метить, что как коэффициент перфорации, так и коэффициент концентрации напряжений определяются Б.С.Ковальским опыт­ ным путем. Работа Б.С.Ковальского, в которой теплообменные трубы рассматриваются как обобщенное упругое основание, да­ ла толчок развитию современных методов расчета трубных ре­ шеток. В 1950 г . в работе Б.С.Ковальского [ 40 ] приводит­ ся дифференциальное уравнение трубной решетки, лежащей на обобщенном упругом основании:

- 9 -

где Р - распределенная по поверхности рещеткн нагрузка

P,'P,1,P|,,IPIV - -производные от Р по Г ;

Г- текущая цилиндрическая координата;

Б- цилиндрическая жесткость решетки;

3- момент инерции сечения теплообменной трубы;

м- площадь решетки, приходящаяся на одну теплооб­

X- безравмерная координата;

'i f : '2D