Hvad forårsager termisk stress i Shell-og- rør varmeveksler s?

Skal-og-rør varmevekslere er meget udbredt i industriel køling, kemisk behandling, elproduktion, køling og varmegenvindingssystemer. De overfører varme mellem to væsker, mens de opretholder adskillelse mellem kredsløbene på skalsiden og rørsiden.

Overførsel af varme får imidlertid også metalkomponenterne inde i veksleren til at udvide sig og trække sig sammen.

Når skallen, rørene, rørpladerne eller andre tilsluttede komponenter oplever forskellige temperaturer, kan de forsøge at udvide sig med forskellige mængder. Hvis deres bevægelse er begrænset, kan der udvikles mekaniske belastninger.

Disse spændinger er særligt vigtige i varmevekslere med faste rørplader, hvor rørene og skallen er strukturelt forbundet i begge ender.

Gentagne temperaturændringer, hurtig opstart, pludselig nedlukning og unormale driftsforhold kan skabe yderligere termisk belastning.

Over tid kan overdreven termisk belastning bidrage til lækage af rør-til-rørpladesamlinger, deformation, udmattelsesrevner eller anden mekanisk skade.

Termisk stress bestemmes ikke af driftstemperaturen alene. Det afhænger af temperaturfordeling, materialeegenskaber, strukturel tilbageholdenhed og den måde, driftsbetingelserne ændrer sig over tid.

Denne vejledning forklarer, hvad der forårsager termisk stress i skal-og-rør-varmevekslere, hvor der kan opstå skader, hvordan forskellige vekslerkonstruktioner tilgodeser termisk ekspansion, og hvad ingeniører og industrielle købere bør verificere, før de vælger udstyr.

1. Hvad er termisk stress i en skal-og- rør varmeveksler ?

1.1 Forståelse af termisk ekspansion

De fleste metalliske materialer udvider sig, når de opvarmes og trækker sig sammen, når de afkøles.

For en ensartet temperaturændring kan den frie termiske udvidelse af en lige komponent tilnærmes ved:

ΔL = α × L × ΔT

Hvor:

• ΔL = Ændring i længde

• α = Koefficient for lineær termisk udvidelse

• L = Original længde

• ΔT = Ændring i materialetemperatur

Dette forhold beskriver længdeændringen, der ville forekomme, hvis komponenten var fri til at udvide sig.

Den beregner ikke i sig selv spændingen i en komplet varmeveksler.

1.2 Hvordan termisk udvidelse bliver til termisk stress

Termisk ekspansion skaber ikke automatisk overdreven mekanisk belastning.

Hvis en metalkomponent kan udvide sig frit, kan dens dimensioner ændre sig uden at generere de samme fastholdelsesspændinger forbundet med en fast forbindelse.

Termisk stress udvikles, når termisk deformation forhindres, delvist begrænses eller bliver uforenelig med bevægelsen af ​​tilsluttede komponenter.

I en skal-og-rør varmeveksler danner skallen, rørene og rørpladerne en indbyrdes forbundet mekanisk struktur.

Når disse komponenter forsøger at udvide sig eller trække sig sammen anderledes, kan kræfter og momenter udvikle sig ved deres forbindelser.

1.2.1 Termisk belastning vs. termisk belastning

Termisk belastning beskriver deformationen forbundet med en temperaturændring.

Termisk spænding beskriver den indre mekaniske reaktion, når den deformation er begrænset.

En komponent kan opleve betydelig termisk ekspansion uden overdreven belastning, hvis dens bevægelse er passende tilpasset.

Omvendt kan en relativt lille differentialbevægelse skabe betydelig lokal belastning i en stiv, meget fastholdt samling.

1.2.1.1 Hvorfor en lille bevægelse kan betyde noget

Under temperaturændringer behøver et rør måske kun at udvide sig med nogle få millimeter.

Hvis begge ender er begrænset af faste rørplader, kan denne udvidelse ikke ske uafhængigt af den omgivende struktur.

De resulterende kræfter afhænger af stivheden og geometrien af ​​røret, skallen, rørpladen og samlingerne.

Derfor er vurdering af tilladt mikromoment et afgørende aspekt af mekanisk design.

1.3 Termisk stress er forskellig fra trykspænding

Trykstress og termisk stress har forskellige fysiske årsager.

Trykspænding er forårsaget af indre eller ydre tryk, der virker på trykgrænserne for en varmeveksler.

Termisk stress er forårsaget af temperaturafhængig deformation og begrænsninger.

Begge kan eksistere side om side.

En varmeveksler kan opfylde sine krav til trykdesign, men termisk ekspansion og transiente temperatureffekter skal stadig evalueres separat.

Det endelige mekaniske design skal tage hensyn til alle gældende lastkombinationer.

For en introduktion til hovedkomponenterne, se Aidear 's skal- og rørvarmevekslere Arbejdsprincip forklaret.

2. Hvad forårsager termisk stress i Shell-og- rør varmeveksler s?

2.1 Forskellige temperaturer på Shell-Side og rør -Side Metal

En af hovedårsagerne til termisk stress er forskellen mellem temperaturerne på skallen og rørbundtet.

For eksempel kan varm procesvæske cirkulere gennem rørene, mens køligere væske strømmer gennem skallen.

Rørene og skallen kan derefter opleve forskellige gennemsnitlige metaltemperaturer.

Som et resultat forsøger de at udvide med forskellige mængder.

I design med faste rørplader er denne differentielle termiske udvidelse begrænset af forbindelserne mellem skal, rør og rørplader.

De resulterende mekaniske kræfter skal vurderes under projekteringen.

2.2 Forskellige termiske udvidelseskoefficienter

Forskellige materialer kan have forskellige varmeudvidelseskoefficienter.

For eksempel kan rustfrit stål og kulstofstål udvide sig med forskellige hastigheder under den samme temperaturændring.

Hvis forskellige legeringer er forbundet til den samme varmeveksler, kan deres termiske bevægelser muligvis ikke matche, selvom temperaturændringerne er ens.

Derfor skal materialevalg overveje mere end blot korrosionsbestandighed og termisk ledningsevne.

Koefficienten for termisk udvidelse, elastiske egenskaber, tilladt spænding og driftstemperaturområde er lige vigtige.

2.3 Hurtig opstart og nedlukning

Under opstart kan nogle vekslerkomponenter opvarme meget hurtigere end andre.

For eksempel kan varm væske, der kommer ind i en tidligere kold veksler, hurtigt hæve temperaturen i indløbsområdet og tilstødende rør.

I mellemtiden kan skallen, fjerne rørplader og understøttende komponenter forblive køligere.

Denne midlertidige temperaturubalance kan skabe lokaliserede termiske spændinger.

Under nedlukning kan de samme komponenter afkøle med forskellige hastigheder.

2.3.1 Hvorfor forbigående stress kan overstige steady-state stress

Når varmeveksleren når en stabil driftstilstand, bliver metaltemperaturfordelingen mere ensartet eller udviser et forudsigeligt mønster.

Under opstart fortsætter temperaturfeltet dog med at ændre sig.

Nogle komponenter kan midlertidigt opleve store temperaturforskelle eller ekspansion.

Derfor kan den største mekaniske belastning forekomme, før varmeveksleren når normale driftsbetingelser.

2.3.1.1 Hvorfor designtemperaturer alene kan være utilstrækkelige

Køber må kun angive de normale indløbs- og udløbsvæsketemperaturer.

Disse værdier er nyttige til termodynamisk valg, men beskriver muligvis ikke de mest krævende mekaniske forhold.

For applikationer, der involverer hurtig opvarmning eller afkøling, kan leverandøren også kræve opstartstemperatur, temperaturændringshastighed, driftssekvens og andre forbigående forhold.

2.4 Ujævn temperaturfordeling inde i veksleren

Termisk stress kan også udvikle sig, når forskellige områder af den samme komponent fungerer ved forskellige temperaturer.

Potentielle årsager omfatter:

• Ujævn strømningsfordeling på skalsiden

• Uensartet rør-side flow

• Lokaliseret begroning

• rør blokering

• Ujævn opvarmning eller afkøling

• Ugunstige indløbsstrømningsmønstre

Disse forhold kan skabe lokale varme pletter eller kolde områder.

De resulterende termiske gradienter kan forårsage bøjning, forvrængning og lokaliserede spændingskoncentrationer.

2.5 Gentagen termisk cykling

Nogle industrielle processer fungerer kontinuerligt under relativt stabile forhold.

Andre kræver hyppige opstarts-, nedluknings-, opvarmnings- eller afkølingscyklusser.

Gentagne temperaturændringer giver gentagne mekaniske deformationer.

Hvor de resulterende spændinger eller belastningsområder er tilstrækkeligt alvorlige, kan træthedsskader ophobes over tid.

Dette er almindeligvis beskrevet som termisk træthed.

Risikoen afhænger af temperaturcyklusser, materialeegenskaber, geometri, spændingskoncentrationer og driftshistorie.

2.6 Unormale procesforhold

Usædvanlige driftshændelser kan skabe temperaturfordelinger, der afviger væsentligt fra normal drift.

Eksempler omfatter:

• Tab af flow på rørsiden

• Tab af flow på skalsiden

• Pludselig afbrydelse af kølevand

• Damprensning eller uddampning

• Hurtig processtop

• Uventet varm-væske introduktion

• Hurtige ændringer i varmeforbruget

Disse forhold kan kræve yderligere termisk-mekanisk analyse.

Et design, der er egnet til stabil drift, er ikke automatisk egnet til enhver forstyrret tilstand.

3. Hvor opstår termisk stress inde i veksleren?

3.1 rør ark og Shell-forbindelser

Rørpladen adskiller væsken på skalsiden fra væsken på rørsiden og understøtter rørbundtet.

I en fast rørpladevarmeveksler er begge rørplader forbundet med skallen, og rørbundtet fastgøres mellem de to rørplader.

Dette arrangement begrænser differentiel ekspansion.

De resulterende mekaniske belastninger kan føre til bøjning af rørpladen, aksial spænding på rørene og spænding ved skal-rørforbindelsen.

3.2 rør -til- rør ark Samlinger

rør -til-rørpladesamlinger skal opretholde den nødvendige mekaniske forbindelse og væskeadskillelse.

Disse samlinger kan bruge svejsning, mekanisk ekspansion eller en passende kombination, afhængigt af designet.

Gentagne differentialbevægelser eller overdreven mekanisk belastning kan påvirke leddets integritet.

Potentielle konsekvenser omfatter lækage, lokal deformation eller beskadigelse af forbindelsen.

Lækage er dog ikke alene et bevis på termisk stress.

Korrosion, vibrationer, fabrikationsfejl og andre mekanismer kan give lignende symptomer.

3.3 rør Bundle- og U-Bend-regioner

Slangen kan udsættes for aksiale belastninger, bøjning eller lokaliserede temperaturgradienter.

I U-rørs varmevekslere giver det bøjede rør fleksibilitet til at optage aksial termisk ekspansion.

U-bøjningsområdet er dog ikke helt immunt over for mekaniske belastninger.

Gentagne termiske cyklusser, lokaliserede temperaturforskelle, flow-inducerede vibrationer og andre belastningsforhold kræver stadig evaluering.

3.4 Skal, svejsninger og dyser

Termisk spænding er ikke begrænset til rørbundtet.

Skallen kan opleve termiske gradienter langs sin længde eller gennem sin vægtykkelse.

Svejste forbindelser og dyser kan også opleve lokale spændinger forårsaget af termisk deformation og udvendige rørbegrænsninger.

3.4.1 Hvorfor rørbelastninger skal overvejes

Hvis tilsluttede rør begrænser vekslerens bevægelse eller overfører for store kræfter og momenter til dens dyser, kan den mekaniske belastning øges.

Effekten afhænger af støttearrangementet, rørfleksibilitet, termisk udvidelse af det tilsluttede system og vekslerkonstruktion.

3.4.1.1 varmeveksler Udvidelse og rørudvidelse er forskellige designtjek

Indvendige rørbundter og eksterne rørsystemer kan have forskellige krav til termisk ekspansion og sammentrækning.

Selv med et internt ekspansionskompensationsdesign kan varmeveksleren stadig opleve for store eksterne dysebelastninger.

Om nødvendigt bør det mekaniske design af varmeveksleren og fleksibilitetsanalysen af ​​rørføringen koordineres.

4. Hvorfor er fast- rør ark varmeveksler følsomme over for termisk stress?

4.1 Hvordan Fixed- rør ark Konstruktion begrænser udvidelse

En fast rørpladeveksler bruger lige rør forbundet mellem to rørplader, med rørpladerne fastgjort til skallen.

De faste forbindelser begrænser uafhængig aksial bevægelse mellem rørbundtet og skallen.

Hvis rørene og skallen forsøger at udvide sig med forskellige mængder, udvikler det strukturelle system kræfter for at opretholde deformationskompatibilitet.

Dette er grunden til, at differentiel termisk ekspansion er en væsentlig designovervejelse for konstruktion med fast rørplade.

4.2 Hvorfor faste- rør arkudvekslere stadig bruges i vid udstrækning

Design med faste rørplader giver praktiske fordele til mange industrielle anvendelser.

Afhængigt af konfigurationen kan disse omfatte:

• Relativt ligetil konstruktion

• Kompakt mekanisk arrangement

• Praktisk adgang til passende rengøring på rørsiden

• Potentielt lavere fremstillingskompleksitet end visse designs med flytbare bundter

De kan være passende, når de termiske og mekaniske belastningsforhold er acceptable.

Tilstedeværelsen af ​​en temperaturforskel gør ikke automatisk en fast rørpladeveksler uegnet.

4.3 Når en ekspansionsfuge kan overvejes

En skalekspansionsfuge kan give yderligere fleksibilitet i et passende design med fast rørplade.

Det kan reducere kræfter forbundet med differentiel aksial termisk udvidelse.

Men tilføjelse af en ekspansionsfuge introducerer andre designovervejelser.

Disse kan omfatte:

• Trykbelastning

• Aksial bevægelse

• Træthedsliv

• Mekanisk stabilitet

• Installationsbegrænsninger

• Inspektionskrav

• Ekstern belastning

4.3.1 Hvorfor et ekspansionsled ikke er en universel løsning

En ekspansionsfuge kan hjælpe med at imødekomme aksial bevægelse, men løser ikke uafhængigt ethvert termisk spændingsproblem.

Lokale temperaturgradienter, rør-til-rørpladespændinger, trykbelastninger og andre mekaniske effekter kan forblive vigtige.

4.3.1.1 Hvad skal verificeres, før du tilføjer et ekspansionsled?

Konstruktører bør vurdere den forventede forskydning, driftstryk, tryktryk, udmattelseskrav, forbindelsesbelastninger og gældende mekaniske designspecifikationer.

Valget af dilatationsfuger bør baseres på en omfattende mekanisk vurdering og bør ikke tilføjes vilkårligt, blot fordi varmeveksleren arbejder ved høje temperaturer.

5. Fast rør ark vs. U- rør vs. flydende hoved: Hvilken håndterer termisk udvidelse bedre?

5.1 Fast- rør ark varmeveksler s

Design med faste rørplader begrænser differentiel aksial bevægelse mellem skal og lige rørbundt.

Dette kan skabe termiske spændinger, når komponenterne oplever forskellige termiske udvidelser.

Designet kan stadig være egnet, hvis de kombinerede mekaniske spændinger opfylder de gældende krav.

5.2 U- rør varmeveksler s

En U-rørsveksler bruger rør bøjet til en U-form, med begge ender fastgjort til en fælles rørplade.

Det buede rørarrangement gør det muligt for rørbundtet at optage termisk bevægelse anderledes end et fast rørpladedesign med lige rør.

Dette kan reducere den aksiale tilbageholdelse, der er forbundet med skal-til-rør differentialudvidelse.

U-rør kan dog skabe yderligere udfordringer for indvendig mekanisk rengøring og visse vedligeholdelsesoperationer.

U-bøjningstræthed og lokale termiske spændinger skal stadig vurderes, hvor det er relevant.

5.3 Flydende hoved varmeveksler s

Varmevekslere med flydende hoved tillader den bageste ende af rørbundtet at bevæge sig i forhold til skallen.

Dette rummer variationer i den aksiale termiske udvidelseskoefficient.

Afhængigt af det specifikke design giver varmevekslere med flydende hoved også mulighed for adskillelse af rørbundt til vedligeholdelse.

Imidlertid er den mekaniske struktur af varmevekslere med flydende hoved mere kompleks og kan kræve yderligere tætningsanordninger og vedligeholdelsesforanstaltninger.

5.4 Sammenligning af termisk ekspansionsindkvartering

Den korrekte konfiguration afhænger af driftstemperaturer, materialeegenskaber, trykkrav, rengøringsbehov og livscyklusomkostninger.

En U-rørs- eller flydende veksler kan reducere særlige spændinger med differentiel ekspansion, men ingen af ​​designerne eliminerer alle termiske spændingsmekanismer.

6. Teknisk eksempel: Hvor meget differentiel udvidelse kan der forekomme?

6.1 Hypotetiske varmeveksler betingelser

Overvej en illustrativ varmeveksler med lige rør med følgende antagelser:

Temperaturerne er forenklede ensartede gennemsnit til illustration.

Koefficienterne er omtrentlige og bør ikke erstatte temperaturafhængige materialeegenskaber i mekanisk design.

6.2 Beregn den frie termiske udvidelse

Til rørbundtet:

rør Udvidelse = 12 × 10⁻⁶ × 4 × 100

rør Udvidelse = 0,0048 m = 4,8 mm

Til skallen:

Skaludvidelse = 12 × 10⁻⁶ × 4 × 60

Skaludvidelse = 0,00288 m = 2,88 mm

Forskellen i fri termisk udvidelse er:

Differentialudvidelse = 4,8 − 2,88 = 1,92 mm

Under de forenklede antagelser ville rørbundtet forsøge at udvide sig ca. 1,92 mm mere end skallen.

6.3 Hvorfor 1,92 mm ikke direkte bestemmer spændingen

Den beregnede forskydning repræsenterer forskellen mellem to hypotetiske frie termiske udvidelser.

Det er ikke en målt deformation af en samlet veksler.

I en fast rørpladekonstruktion afhænger de endelige kræfter og spændinger af stivheden og geometrien af ​​hele den tilsluttede struktur.

Vigtige faktorer inkluderer rørantal, rørvægtykkelse, skalstivhed, rørpladestivhed, materialeegenskaber, trykbelastninger og faktiske temperaturfordelinger.

6.3.1 Hvorfor en simpel beregning med fri udvidelse er nyttig

Denne beregning viser, at differentialforskydning bør evalueres, selvom begge komponenter bruger det samme nominelle materiale.

Det hjælper med at identificere vigtigheden af ​​relative temperaturændringer og den effektive længde af komponenterne.

Den kan dog ikke afgøre, om varmeveksleren er sikker.

6.3.1.1 Hvad er nødvendigt for en mekanisk stressvurdering?

En mekanisk designvurdering kan kræve:

• Faktiske skal- og rørdimensioner

• rør arkgeometri

• Temperaturafhængige materialeegenskaber

• Drifts- og designtryk

• Gennemsnitlige metaltemperaturer

• Differentiel termisk udvidelse

• Relevante fastholdelses- og støtteforhold

• Nødvendige drifts- og transientbelastningstilfælde

Der skal derefter udføres en kodebaseret beregning eller passende detaljeret analyse.

6.4 Hvad hvis rør og skalmaterialerne er forskellige?

Når materialer er forskellige, kan en forenklet forskel i fri aksial udvidelse udtrykkes som:

Differentiel udvidelse = L × (αt × ΔTt − αs × ΔTs)

Hvor:

• αt = rør materialeudvidelseskoefficient

• αs = Ekspansionskoefficient for skalmateriale

• ΔTt = Ændring i rørets gennemsnitlige metaltemperatur

• ΔTs = Ændring i skallens gennemsnitlige metaltemperatur

Dette udtryk antager en fælles referencelængde og forenklede ensartede temperaturændringer.

I rigtige vekslere kan geometri og temperaturvariation langs komponenterne kræve en mere detaljeret beregning.

Ligningen bør ikke behandles som en komplet rørplade eller trykbeholderspændingsvurdering.

7. Hvordan påvirker opstart, nedlukning og termisk cykling træthed?

7.1 Hurtige temperaturændringer og termisk stød

Termisk chok refererer til virkningerne af hurtige temperaturændringer og de resulterende temperaturgradienter.

For eksempel kan hurtig indsprøjtning af en højtemperaturvæske i en lavtemperaturvarmeveksler få indløbsområdet til at opvarme meget hurtigere end andre komponenter.

Dette kan generere betydelig lokaliseret termisk stress, før bulkmetaltemperaturen stabiliseres.

7.2 Gentagne cyklusser og træthedsskader

Termisk træthed opstår, når gentagen opvarmning og afkøling genererer cyklisk stress eller belastning.

Mens antallet af cyklusser er vigtigt, er intensiteten af ​​disse cyklusser lige så afgørende.

Systemer, der oplever små, gradvise temperaturændringer, kan opføre sig meget anderledes end systemer, der oplever hyppige, drastiske temperaturovergange.

7.3 Særlige driftshændelser, der kræver gennemgang

Visse begivenheder kan være mere krævende end normal produktionsdrift.

Disse mekanismer kræver projektspecifik vurdering snarere end en universel driftsgrænse.

7.4 Sådan reduceres risikoen for termisk cykling

Mulige tilgange omfatter:

• Definition af kontrollerede opstarts- og nedlukningssekvenser

• Koordinering af væskeindføring og temperaturændringer

• Gennemgang af hyppigheden og sværhedsgraden af ​​termiske cyklusser

• Valg af en mekanisk egnet vekslerkonfiguration

• Overvågning af unormale temperaturer og flowforhold

• Inspicering af kendte stressfølsomme steder

Ændringer i opstarts- eller nedlukningsprocedurer bør gennemgås af kvalificeret ingeniørpersonale.

Den passende rækkefølge afhænger af proces- og trykudstyrets sikkerhedskrav.

8. Hvordan kan ingeniører evaluere og reducere termisk stress?

8.1 Gennemgå alle relevante design- og driftsbetingelser

Den termisk-mekaniske evaluering bør tage hensyn til mere end ét normalt driftspunkt.

Nødvendige betingelser kan omfatte:

• Normal fuldbelastningsdrift

• Drift med minimal belastning

• Opstart og nedlukning

• Maksimal temperaturforskel

• Maksimum og minimum tryk

• Rengørings- og dampningsprocedurer

• Scenarier med tab af flow

• Relevante procesforstyrrede forhold

Det mest alvorlige termiske spændingstilfælde falder muligvis ikke sammen med det maksimale designtryk eller normal driftstemperatur.

8.2 Anvend passende regler for mekanisk design

Afhængigt af projektet, jurisdiktion og relevant udstyrskonstruktion kan relevante tekniske referencer omfatte:

• ASME Kedel- og trykbeholderkode, afsnit VIII

• Gældende del UHX-bestemmelser for skal-og-rør-vekslerrørplader

• TEMA standarder

• EN 13445 for gældende ubrændte trykbeholdere

• Andre projektspecifikke koder eller specifikationer

Disse referencer har ikke identiske omfang.

Køber og leverandør skal være enige om gældende kode, udgave, mekanisk designgrundlag og dokumentationskrav.

Brug af en anerkendt standard i en beregning etablerer ikke automatisk certificering eller kodestempling.

8.3 Brug termisk og strukturel analyse sammen

Termisk analyse bruges til at bestemme temperaturen og varmeoverførselsadfærden inde i en varmeveksler.

Strukturel analyse bruges til at vurdere den resulterende deformation, kræfter og spændinger.

Til komplekse transiente forhold kan ingeniører bruge tidsvarierende temperaturberegninger og finite element-analyse.

Disse metoder hjælper med at identificere lokaliserede stresskoncentrationer eller kritiske opstartsforhold.

Nøjagtigheden af ​​resultaterne afhænger dog af passende randbetingelser, materialeegenskaber, geometri og validering.

8.4 Vælg en passende mekanisk konfiguration

Potentielle designtilgange omfatter:

• Bevarelse af en fast rørpladekonstruktion, når den mekaniske verifikation er tilfredsstillende

• Overvejer en ekspansionsfuge, hvor det er relevant

• Evaluering af U-rørkonstruktion

• Evaluering af flydende hovedkonstruktion

• Justering af materialer eller strukturelle detaljer, hvor det er berettiget

• Gennemgang af støtte- og rørarrangementer

• Ændring af driftsprocedurer, hvor det er praktisk muligt

Ingen enkelt metode er passende for hver veksler.

8.5 Inkluder inspektions- og vedligeholdelsesplanlægning

I betjeningsudstyr bør inspektioner fokusere på steder relateret til den faktiske skadesmekanisme og driftshistorie.

Relevante aktiviteter kan omfatte kontrol for utætheder, inspektion af rørpladeforbindelser, undersøgelse af tilgængelige svejsninger, gennemgang af driftstendenser og udførelse af passende ikke-destruktiv test (NDT) efter behov.

Gennemførlige inspektionsteknikker afhænger af varmevekslerens design, materialer, tilgængelighed og formodede skader.

Tilfældige utætheder bør undersøges og ikke blot tilskrives termisk stress.

9. Hvad er advarselstegnene på termisk stressskade?

9.1 rør -til- rør ark Lækage

Lækage nær rør-til-rørpladesamlinger kan indikere et tab af fugeintegritet.

Termisk belastning kan være en mulig bidragyder.

Andre mekanismer skal dog også overvejes, herunder korrosion, vibrationer, erosion og fabrikationsfejl.

9.2 Revner i nærheden af ​​svejsede forbindelser

Revner kan forekomme på steder, der er udsat for høj, gentagne belastninger.

Svejsetæer, geometriske diskontinuiteter og andre områder med stresskoncentration kan kræve særlig opmærksomhed.

Alene tilstedeværelsen af ​​en revne er utilstrækkelig til at bestemme dens underliggende årsag; en ordentlig undersøgelse er nødvendig.

9.3 rør eller rør ark Deformation

Uventet deformation kan indikere, at mekaniske belastninger har overskredet konstruktionens tilsigtede opførsel.

Potentielle bidragydere omfatter differentiel termisk udvidelse, trykbelastning, eksterne kræfter eller kombinationer af disse effekter.

9.4 Gentagne fejl efter opstart eller nedlukning

Hvis lækager eller skader opstår igen efter opstart, nedlukning eller andre specifikke driftshændelser, kan tidspunktet for disse hændelser give nyttige diagnostiske oplysninger.

Operatører bør føre optegnelser over temperatur, tryk og flowhastigheder før og efter disse hændelser.

Fejlundersøgelser bør sammenligne faktiske driftsforhold med mekaniske designantagelser.

9.5 Sådan skelnes termisk skade fra andre problemer

En kvalificeret fejlanalyse er påkrævet, før du vælger en reparation eller designændring.

10. Hvad skal købere specificere for at reducere risikoen for termisk stress?

10.1 Angiv fuldstændige termiske driftsdata

En leverandør bør modtage driftsbetingelser både på skalsiden og rørsiden.

Dataene skal være i overensstemmelse med det komplette procesdesign.

10.2 Beskriv forbigående og unormale tilstande

For en meningsfuld termisk stressgennemgang bør købere også identificere:

• Om veksleren starter kold eller allerede varm

• Forventede opvarmnings- og afkølingshastigheder

• Hyppighed af normal opstart og nedlukning

• Muligheder for pludseligt tab af flow

• Damprensning eller andre specielle rengøringsoperationer

• Nøddriftsscenarier

• Forventet driftslevetid og termisk cykling

• Relevante kontrol- og beskyttelsesordninger

Hvor nøjagtige transienttemperaturdata ikke er tilgængelige, bør leverandøren identificere de antagelser, der kræver bekræftelse.

10.3 Bekræft det mekaniske design og dokumentationsomfang

Købere bør spørge leverandøren, om den foreslåede veksler kræver en detaljeret differentiel termisk ekspansion eller udmattelsesvurdering.

Afhængigt af projektet skal det tekniske forslag muligvis identificere:

• Foreslået vekslerkonstruktion

• Skal- og rørmaterialekvaliteter

• Gældende designkode og udgave

• Relevante design- og betjeningssager

• rør ark mekaniske designkrav

• Krav til ekspansionsfuger, hvis det er relevant

• Ekstern dyse og støttebelastninger

• Påkrævet inspektion og prøvning

• Krav til tegning og beregningsdokument

Tilgængeligheden af ​​detaljerede beregninger bør aftales som en del af det tekniske og kommercielle omfang.

10.4 Klar-til-brug Termisk Stress RFQ-tjekliste

Projektansøgning: Industriel køling / Kemisk behandling / Varmegenvinding / Andet

varmeveksler Type: Fast rør ark / U- rør / Flydende hoved / Leverandøranbefaling

Varmeydelse: [ kW ]

Væske på skalsiden: [Specificer]

rør -Side væske: [Specificer]

Indløbs- og udgangstemperaturer på skalsiden: [ °C ]

rør -Sideindgangs- og udgangstemperaturer: [ °C ]

Shell-side flowhastighed: [Specificer]

rør -Sideflowhastighed: [Specificer]

Drifts- og designtryk: [Begge sider]

Maksimum og minimum væsketemperatur: [Begge sider]

Forventet opstarts- og nedlukningsfrekvens: [Specificer]

Priser for opvarmning og køling : [Hvis kendt]

Unormale driftsscenarier: [Specificer]

Krav til damprengøring eller termisk rengøring: [hvis relevant]

Shell og rør materialekrav: [Specificer/anmod om anbefaling]

Gældende designkode: [Specificer]

Forventet levetid for udstyr og termisk cykling: [Specificer]

Påkrævet mekanisk analyse: [Specificer/anmod om anbefaling]

Krav til rørføring og dysebelastning: [Specificer]

Installations- og vedligeholdelseskrav: [Specificer]

Nødvendige tekniske dokumenter: [Specificer]

Antal og leveringssted: [Specificer]

Producenten bør identificere antagelser og udestående information, før det mekaniske design færdiggøres.

11. Ofte stillede spørgsmål om Shell-and- rør termisk stress

11.1 Hvad er hovedårsagen til termisk stress i en skal-og- rør varmeveksler ?

Den primære årsag er, at forskellen i koefficienterne for termisk udvidelse af forbindelseskomponenterne under drift ved forskellige metaltemperaturer undertrykkes.

Andre vigtige årsager omfatter hurtige temperaturændringer, lokale termiske gradienter, materialeforskelle og gentagne termiske cyklusser.

11.2 Betyder en større temperaturforskel altid højere termisk stress?

Ikke nødvendigvis.

Stress afhænger også af strukturel fastholdelse, komponentstivhed, materialeegenskaber, lokal temperaturfordeling og driftshistorie.

En fleksibel konstruktion kan imødekomme en væsentlig temperaturforskel mere effektivt end et meget tilbageholdende design.

11.3 Hvorfor er fast- rør arkudvekslere mere følsomme over for differentiel udvidelse?

Deres rør og skaller er forbundet med faste rørplader i begge ender.

Dette begrænser deres evne til at ekspandere uafhængigt, og når koefficienterne for termisk udvidelse af skal- og rørbundterne er forskellige, genereres aksiale kræfter og rørpladespændinger.

11.4 Kan en U- rør varmeveksler eliminere termisk stress?

Ingen.

U-bøjningskonstruktionen rummer visse aksiale termiske bevægelser, men lokale temperaturgradienter, U-bøjningsbelastning, træthed, trykspændinger og andre mekaniske effekter kræver stadig overvejelse.

11.5 Forhindrer et ekspansionsled alle termiske belastningsskader?

Ingen.

En korrekt konstrueret ekspansionsfuge kan reducere specifikke differentialekspansionsbelastninger, men den introducerer sit eget tryk, bevægelse, træthed og mekaniske designkrav.

Det eliminerer ikke enhver termisk stressmekanisme.

11.6 Kan termisk stress forårsage rør lækage?

Ja.

Overdreven termisk belastning kan bidrage til beskadigelse eller tab af integritet ved rør-til-rørplade samlinger.

Lækage kan dog have flere andre årsager, og en ordentlig fejlundersøgelse er nødvendig.

11.7 Skal opstart og nedlukning inkluderes i mekanisk design?

Ja, når disse forhold skaber relevant termisk eller mekanisk belastning.

Transient drift kan generere stressniveauer, der ikke er repræsenteret af normale steady-state-forhold.

Den nødvendige analyse afhænger af vekslerkonstruktionen, procesbetingelser og gældende designregler.

11.8 Hvilke oplysninger skal købere give, før de anmoder om et tilbud?

Købere bør oplyse væsketemperaturer, strømningshastigheder, drifts- og designtryk, materialekrav, opstarts- og nedlukningsforhold, termiske cyklusforventninger og eventuelle unormale driftsscenarier.

Dette giver leverandøren mulighed for at afgøre, hvilke mekaniske kontroller der er passende.

12. Konklusion: Termisk stress skal evalueres som en del af varmeveksler design

Termisk spænding er en vigtig mekanisk overvejelse i design af skal-og-rør-varmeveksler, især når skal- og rørbundtet oplever forskellige temperaturer eller gentagne driftsændringer.

Dens hovedårsager omfatter differentiel termisk ekspansion, strukturel begrænsning, hurtige temperaturtransienter, lokaliserede temperaturgradienter og termisk cykling.

Konsekvenserne kan påvirke rørplader, rør-til-rørpladeforbindelser, svejsede samlinger og andre mekaniske komponenter.

Udvekslere med faste rørplader kræver særlig opmærksomhed, fordi skal og lige rør ikke kan udvide sig uafhængigt.

U-rør og flydende hovedarrangementer giver alternative måder at imødekomme differentiel bevægelse, selvom de også introducerer deres egne design- og vedligeholdelsesovervejelser.

For ingeniører og industrielle købere er nøglehandlingerne at:

• Definer både normale og unormale driftstemperaturer.

• Evaluer den relative termiske udvidelse af tilsluttede komponenter.

• Overvej opstart, nedlukning og gentagne termiske cyklusser.

• Vælg en passende vekslerkonstruktion.

• Anvend de relevante mekaniske designkrav.

• Gennemgå ekspansionsfuger, understøtninger og udvendige rørbelastninger, hvor det er relevant.

• Anmod om de nødvendige mekaniske beregninger og dokumentation.

Målet er ikke at eliminere al termisk ekspansion. Det er for at sikre, at veksleren kan optage den forventede termiske bevægelse og tilhørende belastninger inden for de gældende mekaniske designgrænser.

12.1 Udforsk Shell-and- rør varmeveksler -løsninger fra Aidear

Changzhou Aidear Refrigeration Technology Co., Ltd. leverer skal-og-rør-varmevekslerløsninger til industriel opvarmning, køling, køling og relaterede varmeoverførselsapplikationer.

Forskellige projekter kan kræve forskellige rørmaterialer, rørpladearrangementer, skalkonfigurationer og driftsbetingelser.

For applikationer, der involverer væsentlige temperaturforskelle eller hyppige termiske cyklusser, bør udstyrsvalg omfatte en passende mekanisk evaluering ud over termiske ydeevneberegninger.

Udforske Aidear skal- og rørvarmevekslere for at lære mere om tilgængelige produktkonfigurationer.

Egnetheden af ​​en bestemt konstruktion, ekspansionsfuge, materialekombination eller mekanisk designkrav skal bekræftes for hvert projekt.

12.2 Anmod om et tilpasset Shell-og- rør varmeveksler tilbud

Vælger du en skal-og-rør-varmeveksler til en proces med høje driftstemperaturer, betydelige temperaturforskelle eller hyppige opstarts- og nedlukningscyklusser?

Del dine termiske opgaver, driftsforhold på skal- og rørsiden, materialekrav og forventede temperaturvariationer med Aidear .

Vores team kan gennemgå de leverede oplysninger og diskutere passende produktkonfigurationer, med forbehold for teknisk vurdering og produkttilgængelighed.

Anmod om et tilpasset tilbud — Diskuter dine Shell-and- rør varmeveksler driftsbetingelser med Aidear .