چه چیزی باعث استرس حرارتی در پوسته و لوله مبدل حرارتی می شود؟

مبدل های حرارتی پوسته و لوله به طور گسترده در سیستم های خنک کننده صنعتی، پردازش شیمیایی، تولید برق، تبرید و سیستم های بازیابی حرارت استفاده می شود. آنها گرما را بین دو سیال منتقل می کنند و در عین حال جدایی بین مدارهای سمت پوسته و سمت لوله را حفظ می کنند.

با این حال، انتقال گرما باعث انبساط و انقباض اجزای فلزی داخل مبدل می شود.

هنگامی که پوسته، لوله ها، صفحات لوله یا سایر اجزای متصل دماهای متفاوتی را تجربه می کنند، ممکن است سعی کنند با مقادیر متفاوتی منبسط شوند. اگر حرکت آنها محدود شود، تنش های مکانیکی ایجاد می شود.

این تنش‌ها به‌ویژه در مبدل‌های حرارتی با صفحه لوله ثابت، که در آن لوله‌ها و پوسته از نظر ساختاری در هر دو انتها به هم متصل هستند، مهم هستند.

تغییرات مکرر دما، راه اندازی سریع، خاموش شدن ناگهانی و شرایط عملیاتی غیرعادی می تواند بار حرارتی اضافی ایجاد کند.

با گذشت زمان، تنش حرارتی بیش از حد ممکن است منجر به نشت لوله به ورق لوله، تغییر شکل، ترک خوردگی ناشی از خستگی یا سایر آسیب‌های مکانیکی شود.

تنش حرارتی تنها با دمای عملیاتی تعیین نمی شود. این بستگی به توزیع دما، خواص مواد، محدودیت ساختاری و نحوه تغییر شرایط عملیاتی در طول زمان دارد.

این راهنما توضیح می‌دهد که چه چیزی باعث تنش حرارتی در مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله می‌شود، جایی که ممکن است آسیب رخ دهد، ساختارهای مختلف مبدل چگونه انبساط حرارتی را تطبیق می‌دهند، و مهندسان و خریداران صنعتی باید قبل از انتخاب تجهیزات بررسی کنند.

1. تنش حرارتی در پوسته و لوله مبدل حرارتی چیست؟

1.1 درک انبساط حرارتی

بیشتر مواد فلزی هنگام گرم شدن منبسط می شوند و در هنگام سرد شدن منقبض می شوند.

برای یک تغییر دمای یکنواخت، انبساط حرارتی آزاد یک جزء مستقیم را می توان با موارد زیر تقریب زد:

ΔL = α × L × ΔT

کجا:

• ΔL = تغییر در طول

• α = ضریب انبساط حرارتی خطی

• L = طول اصلی

• ΔT = تغییر در دمای مواد

این رابطه تغییر طولی را توصیف می کند که در صورت آزاد شدن مولفه برای گسترش رخ می دهد.

به خودی خود تنش را در یک مبدل حرارتی کامل محاسبه نمی کند.

1.2 چگونه انبساط حرارتی به استرس حرارتی تبدیل می شود

انبساط حرارتی به طور خودکار تنش مکانیکی بیش از حد ایجاد نمی کند.

اگر یک جزء فلزی بتواند آزادانه منبسط شود، ابعاد آن ممکن است بدون ایجاد همان تنش های مهاری مرتبط با اتصال ثابت تغییر کند.

تنش حرارتی زمانی ایجاد می شود که از تغییر شکل حرارتی جلوگیری شود، تا حدی محدود شود یا با حرکت اجزای متصل ناسازگار شود.

در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله، پوسته، لوله ها و صفحات لوله یک ساختار مکانیکی به هم پیوسته را تشکیل می دهند.

هنگامی که این اجزاء سعی در انبساط یا انقباض متفاوت دارند، نیروها و گشتاورها ممکن است در اتصالات آنها ایجاد شوند.

1.2.1 کرنش حرارتی در مقابل تنش حرارتی

کرنش حرارتی تغییر شکل مرتبط با تغییر دما را توصیف می کند.

تنش حرارتی پاسخ مکانیکی داخلی را هنگامی که آن تغییر شکل محدود می شود، توصیف می کند.

اگر یک قطعه به طور مناسب حرکت کند، ممکن است انبساط حرارتی قابل توجهی را بدون تنش بیش از حد تجربه کند.

برعکس، یک حرکت دیفرانسیل نسبتاً کوچک می تواند تنش موضعی قابل توجهی را در یک مجموعه سفت و بسیار مهار شده ایجاد کند.

1.2.1.1 چرا یک حرکت کوچک می تواند مهم باشد

در طول تغییرات دما، ممکن است یک لوله فقط چند میلی متر منبسط شود.

اگر هر دو انتها توسط صفحات لوله ثابت محدود شوند، این انبساط نمی تواند مستقل از ساختار اطراف رخ دهد.

نیروهای حاصل به سفتی و هندسه لوله، پوسته، ورق لوله و اتصالات بستگی دارد.

بنابراین، ارزیابی میکرو تکانه مجاز یک جنبه حیاتی از طراحی مکانیکی است.

1.3 تنش حرارتی با تنش فشاری متفاوت است

استرس فشاری و استرس حرارتی دلایل فیزیکی متفاوتی دارند.

تنش فشاری ناشی از فشارهای داخلی یا خارجی است که بر روی مرزهای فشار مبدل حرارتی اثر می گذارد.

تنش حرارتی ناشی از تغییر شکل و محدودیت های وابسته به دما است.

هر دو می توانند با هم وجود داشته باشند.

یک مبدل حرارتی ممکن است الزامات طراحی فشار خود را برآورده کند، اما انبساط حرارتی و اثرات دمای گذرا هنوز باید جداگانه ارزیابی شوند.

طراحی مکانیکی نهایی باید تمام ترکیبات بار قابل اجرا را در نظر بگیرد.

برای آشنایی با اجزای اصلی، به Aidear 's مراجعه کنید مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله اصل کاری توضیح داده شد.

2. چه چیزی باعث استرس حرارتی در پوسته و لوله مبدل حرارتی s می شود؟

2.1 دماهای مختلف Shell-Side و لوله -Side Metal Temperatures

یکی از دلایل اصلی تنش حرارتی، تفاوت بین دمای پوسته و دسته لوله است.

به عنوان مثال، سیال فرآیند داغ ممکن است از طریق لوله ها گردش کند در حالی که سیال خنک تر از طریق پوسته جریان می یابد.

لوله ها و پوسته ممکن است دمای متوسط ​​فلز متفاوتی را تجربه کنند.

در نتیجه، آنها سعی می کنند با مقادیر مختلف گسترش پیدا کنند.

در طرح‌های ورق لوله ثابت، این انبساط حرارتی تفاضلی توسط اتصالات بین پوسته، لوله‌ها و صفحات لوله محدود می‌شود.

نیروهای مکانیکی حاصل باید در طول طراحی ارزیابی شوند.

2.2 ضرایب انبساط حرارتی مختلف

مواد مختلف ممکن است ضرایب انبساط حرارتی متفاوتی داشته باشند.

به عنوان مثال، فولاد ضد زنگ و فولاد کربنی ممکن است در یک تغییر دما با سرعت های متفاوتی منبسط شوند.

اگر آلیاژهای مختلف به یک مبدل حرارتی متصل شوند، حرکات حرارتی آنها ممکن است مطابقت نداشته باشد حتی اگر تغییرات دما مشابه باشد.

بنابراین، انتخاب مواد باید بیش از مقاومت در برابر خوردگی و هدایت حرارتی را در نظر بگیرد.

ضریب انبساط حرارتی، خواص الاستیک، تنش مجاز و محدوده دمای عملیاتی به همان اندازه مهم هستند.

2.3 راه اندازی و خاموش شدن سریع

در طول راه اندازی، برخی از اجزای مبدل می توانند بسیار سریعتر از سایرین گرم شوند.

به عنوان مثال، سیال داغی که وارد مبدل سرد قبلی می شود ممکن است به سرعت دمای ناحیه ورودی و لوله های مجاور را افزایش دهد.

در همین حال، پوسته، صفحات لوله دور، و اجزای پشتیبانی ممکن است سردتر باقی بمانند.

این عدم تعادل موقت دما می تواند تنش های حرارتی موضعی ایجاد کند.

در طول خاموش شدن، ممکن است همان اجزاء با سرعت های متفاوتی خنک شوند.

2.3.1 چرا استرس گذرا می تواند از استرس حالت ثابت تجاوز کند

هنگامی که مبدل حرارتی به حالت عملکرد پایدار رسید، توزیع دمای فلز یکنواخت تر می شود یا یک الگوی قابل پیش بینی را نشان می دهد.

با این حال، در هنگام راه‌اندازی، میدان دما همچنان تغییر می‌کند.

برخی از قطعات ممکن است به طور موقت اختلاف دما یا انبساط زیادی را تجربه کنند.

بنابراین، بیشترین تنش مکانیکی ممکن است قبل از رسیدن مبدل حرارتی به شرایط عملیاتی عادی رخ دهد.

2.3.1.1 چرا دمای طراحی به تنهایی ممکن است ناکافی باشد

خریدار ممکن است فقط دمای معمولی سیال ورودی و خروجی را مشخص کند.

این مقادیر برای انتخاب ترمودینامیکی مفید هستند، اما ممکن است سخت‌ترین شرایط مکانیکی را توصیف نکنند.

برای کاربردهایی که شامل گرمایش یا سرمایش سریع می‌شود، تامین‌کننده ممکن است به دمای راه‌اندازی، نرخ تغییر دما، ترتیب عملکرد و سایر شرایط گذرا نیاز داشته باشد.

2.4 توزیع ناهموار دما در داخل مبدل

تنش حرارتی همچنین می تواند زمانی ایجاد شود که مناطق مختلف یک جزء در دماهای مختلف کار کنند.

علل بالقوه عبارتند از:

• توزیع ناهموار جریان در سمت پوسته

• جریان غیر یکنواخت سمت لوله

• رسوب موضعی

• لوله انسداد

• گرمایش یا سرمایش ناهموار

• الگوهای جریان ورودی نامطلوب

این شرایط ممکن است نقاط گرم محلی یا مناطق سرد ایجاد کند.

گرادیان های حرارتی حاصل می تواند باعث خمش، اعوجاج و غلظت تنش موضعی شود.

2.5 چرخه حرارتی مکرر

برخی از فرآیندهای صنعتی به طور مداوم در شرایط نسبتاً پایدار کار می کنند.

برخی دیگر به چرخه های راه اندازی، خاموش شدن، گرمایش یا سرمایش مکرر نیاز دارند.

تغییرات مکرر دما باعث ایجاد تغییر شکل مکانیکی مکرر می شود.

در جایی که محدوده تنش یا کرنش حاصله به اندازه کافی شدید باشد، آسیب خستگی می تواند در طول زمان انباشته شود.

این معمولا به عنوان خستگی حرارتی توصیف می شود.

خطر به چرخه های دما، خواص مواد، هندسه، غلظت تنش و سابقه عملیات بستگی دارد.

2.6 شرایط غیر طبیعی فرآیند

رویدادهای عملیاتی غیرمعمول ممکن است توزیع های دما را ایجاد کنند که به طور قابل توجهی با عملکرد عادی متفاوت است.

مثالها عبارتند از:

• از دست دادن جریان سمت لوله

• از دست دادن جریان سمت پوسته

• قطع ناگهانی آب خنک کننده

• تمیز کردن با بخار یا بخار

• خاموش شدن سریع فرآیند

• معرفی غیرمنتظره مایع داغ

• تغییرات سریع در وظیفه حرارتی

این شرایط می تواند به تجزیه و تحلیل حرارتی-مکانیکی اضافی نیاز داشته باشد.

طراحی مناسب برای عملکرد ثابت به طور خودکار برای هر شرایط ناراحت کننده مناسب نیست.

3. استرس حرارتی در داخل مبدل کجا ایجاد می شود؟

3.1 لوله ورق و اتصالات پوسته

ورق لوله سیال سمت پوسته را از سیال سمت لوله جدا می کند و دسته لوله را پشتیبانی می کند.

در یک مبدل حرارتی لوله ای ثابت، هر دو صفحه لوله به پوسته متصل می شوند و دسته لوله بین دو صفحه لوله ثابت می شود.

این ترتیب انبساط دیفرانسیل را محدود می کند.

بارهای مکانیکی حاصل می‌تواند منجر به خمش ورق لوله، تنش محوری روی لوله‌ها و تنش در محل اتصال پوسته به لوله شود.

3.2 لوله -to- لوله مفاصل ورق

اتصالات لوله -به صفحه لوله باید اتصال مکانیکی مورد نیاز و جداسازی سیال را حفظ کنند.

این اتصالات بسته به طراحی ممکن است از جوش، انبساط مکانیکی یا ترکیب مناسب استفاده کنند.

حرکت مکرر دیفرانسیل یا بار مکانیکی بیش از حد می تواند بر یکپارچگی مفصل تأثیر بگذارد.

پیامدهای بالقوه شامل نشت، تغییر شکل موضعی یا آسیب به اتصال است.

با این حال، نشت به تنهایی دلیلی بر تنش حرارتی نیست.

خوردگی، ارتعاش، نقص در ساخت و سازوکارهای دیگر ممکن است علائم مشابهی ایجاد کنند.

3.3 لوله مناطق بسته و U-Bend

لوله ممکن است تحت بارهای محوری، خمشی یا شیب دمایی موضعی قرار گیرد.

در مبدل های حرارتی لوله U، لوله خم شده انعطاف پذیری را برای انبساط حرارتی محوری فراهم می کند.

با این حال، ناحیه U-bend کاملاً از تنش های مکانیکی مصون نیست.

چرخه حرارتی مکرر، اختلاف دمای موضعی، ارتعاشات ناشی از جریان، و سایر شرایط بار هنوز نیاز به ارزیابی دارند.

3.4 پوسته، جوش و نازل

تنش حرارتی به بسته نرم افزاری لوله محدود نمی شود.

پوسته می تواند شیب های حرارتی را در طول خود یا از طریق ضخامت دیواره خود تجربه کند.

اتصالات و نازل های جوشی نیز ممکن است تنش های موضعی ناشی از تغییر شکل حرارتی و مهار لوله های خارجی را تجربه کنند.

3.4.1 چرا باید بارهای لوله کشی در نظر گرفته شود

اگر لوله های متصل حرکت مبدل را محدود کند یا نیروها و گشتاورهای بیش از حد را به نازل های آن منتقل کند، بار مکانیکی ممکن است افزایش یابد.

این اثر به ترتیب پشتیبانی، انعطاف پذیری لوله کشی، انبساط حرارتی سیستم متصل، و ساخت مبدل بستگی دارد.

3.4.1.1 مبدل حرارتی توسعه و گسترش لوله‌ها بررسی‌های طراحی متفاوتی هستند

بسته‌های لوله داخلی و سیستم‌های لوله‌کشی خارجی ممکن است الزامات انبساط و انقباض حرارتی متفاوتی داشته باشند.

حتی با طراحی جبران انبساط داخلی، مبدل حرارتی ممکن است بار نازل خارجی بیش از حد را تجربه کند.

در صورت لزوم، طراحی مکانیکی مبدل حرارتی و تجزیه و تحلیل انعطاف پذیری لوله ها باید هماهنگ شود.

4. چرا ورق ثابت- لوله مبدل حرارتی به تنش حرارتی حساس است؟

4.1 چگونه ثابت شد- صفحه لوله Construction Restrains Expansion

یک مبدل ورق لوله ثابت از لوله های مستقیمی استفاده می کند که بین دو صفحه لوله متصل می شوند و صفحات لوله به پوسته متصل می شوند.

اتصالات ثابت حرکت محوری مستقل را بین دسته لوله و پوسته محدود می کند.

اگر لوله ها و پوسته تلاش کنند با مقادیر متفاوت منبسط شوند، سیستم ساختاری نیروهایی را برای حفظ سازگاری تغییر شکل ایجاد می کند.

به همین دلیل است که انبساط حرارتی دیفرانسیل یک طرح مهم برای ساخت ورق لوله ثابت است.

4.2 چرا مبدل‌های ورق ثابت- لوله هنوز به طور گسترده استفاده می‌شوند

طرح های لوله ثابت مزایای عملی را برای بسیاری از کاربردهای صنعتی ارائه می دهند.

بسته به پیکربندی، این موارد ممکن است شامل موارد زیر باشد:

• ساخت و ساز نسبتاً ساده

• آرایش مکانیکی فشرده

• دسترسی راحت برای تمیز کردن مناسب سمت لوله

• پیچیدگی ساخت بالقوه کمتر نسبت به طرح‌های بسته قابل جابجایی خاص

آنها می توانند زمانی مناسب باشند که شرایط بارگذاری حرارتی و مکانیکی قابل قبول باشد.

وجود اختلاف دما به طور خودکار یک مبدل لوله ثابت را نامناسب نمی کند.

4.3 هنگامی که یک اتصال انبساط ممکن است در نظر گرفته شود

یک اتصال انبساط پوسته می تواند انعطاف بیشتری را در طراحی ورق لوله ثابت مناسب ایجاد کند.

ممکن است نیروهای مرتبط با انبساط حرارتی محوری دیفرانسیل را کاهش دهد.

با این حال، افزودن درز انبساط ملاحظات طراحی دیگری را معرفی می کند.

اینها ممکن است شامل موارد زیر باشد:

• بارگذاری تحت فشار

• حرکت محوری

• زندگی خستگی

• پایداری مکانیکی

• محدودیت های نصب

• الزامات بازرسی

• بارگذاری خارجی

4.3.1 چرا اتصال انبساط یک راه حل جهانی نیست

اتصال انبساط ممکن است به جابجایی حرکت محوری کمک کند، اما به طور مستقل هر مشکل تنش حرارتی را حل نمی کند.

گرادیان های دمایی محلی، تنش های لوله به صفحه لوله، بارهای فشار و سایر اثرات مکانیکی ممکن است مهم باقی بمانند.

4.3.1.1 چه چیزی باید قبل از افزودن یک اتصال انبساطی تأیید شود؟

طراحان باید جابجایی مورد انتظار، فشار عملیاتی، رانش فشار، نیازهای خستگی، بارهای اتصال و مشخصات طراحی مکانیکی قابل اجرا را ارزیابی کنند.

انتخاب اتصالات انبساط باید بر اساس یک ارزیابی مکانیکی جامع باشد و نباید خودسرانه اضافه شود زیرا مبدل حرارتی در دماهای بالا کار می کند.

5. ورق لوله در مقابل U- لوله در مقابل سر شناور ثابت شد: کدام انبساط حرارتی را بهتر کنترل می‌کند؟

5.1 ثابت- لوله برگه مبدل حرارتی s

طرح‌های صفحه لوله ثابت حرکت محوری دیفرانسیل بین پوسته و دسته لوله مستقیم را محدود می‌کند.

این می تواند تنش های حرارتی را هنگامی که اجزاء انبساط حرارتی متفاوتی را تجربه می کنند ایجاد کند.

اگر تنش های مکانیکی ترکیبی الزامات قابل اجرا را برآورده کند، ممکن است طرح همچنان مناسب باشد.

5.2 U- لوله مبدل حرارتی s

یک مبدل U-tube از لوله‌هایی استفاده می‌کند که به شکل U خم شده‌اند و هر دو انتهای آن به یک صفحه لوله مشترک متصل شده‌اند.

آرایش لوله منحنی به بسته نرم افزاری لوله اجازه می دهد تا حرکت حرارتی را متفاوت از طراحی ورق لوله ثابت لوله مستقیم انجام دهد.

این می تواند مهار محوری مرتبط با انبساط دیفرانسیل پوسته به لوله را کاهش دهد.

با این حال، لوله های U ممکن است چالش های اضافی برای تمیز کردن مکانیکی داخلی و عملیات تعمیر و نگهداری خاص ایجاد کنند.

خستگی U-bend و تنش‌های حرارتی موضعی همچنان باید در صورت لزوم ارزیابی شوند.

5.3 سر شناور مبدل حرارتی s

مبدل های حرارتی سر شناور به انتهای عقب بسته نرم افزاری لوله اجازه می دهند تا نسبت به پوسته حرکت کند.

این تغییرات در ضریب محوری انبساط حرارتی را در بر می گیرد.

بسته به طراحی خاص، مبدل‌های حرارتی سر شناور امکان جداسازی دسته لوله را برای تعمیر و نگهداری نیز فراهم می‌کنند.

با این حال، ساختار مکانیکی مبدل‌های حرارتی سر شناور پیچیده‌تر است و ممکن است به دستگاه‌های آب‌بندی اضافی و اقدامات نگهداری نیاز داشته باشد.

5.4 مقایسه انبساط حرارتی

پیکربندی صحیح به دمای عملیاتی، خواص مواد، فشار مورد نیاز، نیازهای تمیز کردن و هزینه چرخه عمر بستگی دارد.

یک مبدل U-لوله یا مبدل سر شناور می تواند تنش های انبساط دیفرانسیل خاصی را کاهش دهد، اما هیچ یک از طراحی ها همه مکانیسم های تنش حرارتی را حذف نمی کند.

6. مثال مهندسی: انبساط دیفرانسیل چقدر می تواند رخ دهد؟

6.1 شرایط مبدل حرارتی فرضی

یک مبدل حرارتی لوله مستقیم را با مفروضات زیر در نظر بگیرید:

دماها میانگین های یکنواخت ساده شده برای تصویر هستند.

ضرایب تقریبی هستند و نباید جایگزین خواص مواد وابسته به دما در طراحی مکانیکی شوند.

6.2 انبساط حرارتی آزاد را محاسبه کنید

برای بسته نرم افزاری لوله:

لوله بسط = 12 × 10-6 × 4 × 100

لوله انبساط = 0.0048 متر = 4.8 میلی متر

برای پوسته:

گسترش پوسته = 12 × 10-6 × 4 × 60

انبساط پوسته = 0.00288 متر = 2.88 میلی متر

تفاوت در انبساط حرارتی آزاد عبارت است از:

انبساط دیفرانسیل = 4.8 - 2.88 = 1.92 میلی متر

تحت فرضیات ساده شده، بسته لوله تلاش می کند تقریباً 1.92 میلی متر بیشتر از پوسته منبسط شود.

6.3 چرا 1.92 میلی متر به طور مستقیم استرس را تعیین نمی کند

جابجایی محاسبه شده نشان دهنده تفاوت بین دو انبساط حرارتی آزاد فرضی است.

این تغییر شکل اندازه گیری شده مبدل مونتاژ شده نیست.

در ساخت ورق لوله ثابت، نیروها و تنش های نهایی به سختی و هندسه کل سازه متصل بستگی دارد.

عوامل مهم عبارتند از تعداد لوله، ضخامت دیواره لوله، سختی پوسته، صلبیت ورق لوله، خواص مواد، بارهای فشار و توزیع دمای واقعی.

6.3.1 چرا یک محاسبه ساده گسترش آزاد مفید است

این محاسبه نشان می دهد که جابجایی دیفرانسیل باید ارزیابی شود حتی اگر هر دو جزء از مواد اسمی یکسانی استفاده کنند.

این به شناسایی اهمیت تغییرات نسبی دما و طول موثر اجزا کمک می کند.

با این حال، نمی تواند تعیین کند که مبدل حرارتی ایمن است یا خیر.

6.3.1.1 چه چیزی برای ارزیابی استرس مکانیکی مورد نیاز است؟

ارزیابی طراحی مکانیکی ممکن است نیاز داشته باشد:

• ابعاد واقعی پوسته و لوله

• لوله هندسه ورق

• خواص مواد وابسته به دما

• فشارهای عملیاتی و طراحی

• میانگین دمای فلز

• انبساط حرارتی دیفرانسیل

• شرایط مهار و پشتیبانی مربوطه

• موارد مورد نیاز عملیاتی و گذرا

سپس باید یک محاسبه مبتنی بر کد یا تجزیه و تحلیل دقیق مناسب انجام شود.

6.4 اگر مواد لوله و پوسته متفاوت باشند چه؟

هنگامی که مواد متفاوت هستند، یک تفاوت ساده شده در انبساط آزاد محوری را می توان به صورت زیر بیان کرد:

بسط دیفرانسیل = L × (αt × ΔTt - αs × ΔTs)

کجا:

• αt = لوله ضریب انبساط مواد

• αs = ضریب انبساط مواد پوسته

• ΔTt = تغییر در دمای میانگین لوله

• ΔTs = تغییر در دمای پوسته میانگین فلز

این عبارت طول مرجع مشترک و تغییرات دمایی یکنواخت ساده شده را در نظر می گیرد.

در مبدل های واقعی، تغییرات هندسی و دما در امتداد اجزا ممکن است نیاز به محاسبه دقیق تری داشته باشد.

این معادله نباید به عنوان یک صفحه لوله کامل یا ارزیابی تنش رگ فشار در نظر گرفته شود.

7. راه اندازی، خاموش شدن، و دوچرخه سواری حرارتی چگونه بر خستگی تأثیر می گذارد؟

7.1 تغییرات سریع دما و شوک حرارتی

شوک حرارتی به اثرات تغییرات سریع دما و شیب دمایی ناشی از آن اشاره دارد.

به عنوان مثال، تزریق سریع یک سیال با دمای بالا به یک مبدل حرارتی با دمای پایین می تواند باعث شود که ناحیه ورودی بسیار سریعتر از سایر اجزا گرم شود.

این می تواند تنش حرارتی موضعی قابل توجهی را قبل از تثبیت دمای فلز عمده ایجاد کند.

7.2 چرخه های مکرر و آسیب خستگی

خستگی حرارتی زمانی رخ می دهد که گرمایش و سرمایش مکرر باعث ایجاد تنش یا کرنش چرخه ای می شود.

در حالی که تعداد چرخه ها مهم است، شدت آن چرخه ها به همان اندازه مهم است.

سیستم‌هایی که تغییرات دمایی کوچک و تدریجی را تجربه می‌کنند ممکن است بسیار متفاوت از سیستم‌هایی که تغییرات مکرر و شدید دما را تجربه می‌کنند، رفتار کنند.

7.3 رویدادهای عملیاتی ویژه که نیاز به بررسی دارند

برخی رویدادها می‌توانند از عملیات تولید معمولی سخت‌تر باشند.

این مکانیسم ها به جای یک محدودیت عملیاتی جهانی، به ارزیابی خاص پروژه نیاز دارند.

7.4 چگونه خطر چرخه حرارتی را کاهش دهیم

رویکردهای ممکن عبارتند از:

• تعریف توالی راه اندازی و خاموش شدن کنترل شده

• هماهنگی ورود سیال و تغییرات دما

• بررسی فراوانی و شدت چرخه های حرارتی

• انتخاب یک پیکربندی مبدل مناسب مکانیکی

• نظارت بر دماهای غیرعادی و شرایط جریان

• بازرسی مکان های شناخته شده حساس به استرس

تغییرات در روش های راه اندازی یا خاموش شدن باید توسط پرسنل مهندسی واجد شرایط بررسی شود.

توالی مناسب به فرآیند و الزامات ایمنی تجهیزات فشار بستگی دارد.

8. مهندسان چگونه می توانند استرس حرارتی را ارزیابی و کاهش دهند؟

8.1 تمامی شرایط طراحی و عملیات مربوطه را مرور کنید

ارزیابی مکانیکی حرارتی باید بیش از یک نقطه عملیاتی معمولی را در نظر بگیرد.

شرایط مورد نیاز ممکن است شامل موارد زیر باشد:

• عملکرد معمولی با بار کامل

• عملیات با حداقل بار

• راه اندازی و خاموش شدن

• حداکثر اختلاف دما

• حداکثر و حداقل فشار

• مراحل تمیز کردن و بخارپز کردن

• سناریوهای از دست دادن جریان

• فرآیند مربوطه شرایط را بر هم زده است

شدیدترین حالت تنش حرارتی ممکن است با حداکثر فشار طراحی یا دمای عملیاتی معمولی منطبق نباشد.

8.2 قوانین طراحی مکانیکی مناسب را اعمال کنید

بسته به پروژه، حوزه قضایی و ساخت تجهیزات قابل اجرا، مراجع مهندسی مربوطه ممکن است شامل موارد زیر باشد:

• ASME دیگ بخار و کد مخزن تحت فشار، بخش هشتم

• مقررات بخش UHX قابل اجرا برای صفحات لوله مبدل پوسته و لوله

• استانداردهای TEMA

• EN 13445 برای مخازن تحت فشار پختن نشده قابل اجرا

• سایر کدها یا مشخصات پروژه خاص

این مراجع دامنه یکسانی ندارند.

خریدار و تامین کننده باید در مورد کد قابل اجرا، نسخه، مبنای طراحی مکانیکی و الزامات مستندات توافق کنند.

استفاده از یک استاندارد شناخته شده در یک محاسبات به طور خودکار گواهی یا مهر کد را ایجاد نمی کند.

8.3 از تحلیل حرارتی و ساختاری با هم استفاده کنید

آنالیز حرارتی برای تعیین دما و رفتار انتقال حرارت در داخل مبدل حرارتی استفاده می شود.

تحلیل سازه برای ارزیابی تغییر شکل، نیروها و تنش های حاصله استفاده می شود.

برای شرایط پیچیده گذرا، مهندسان می توانند از محاسبات دمای متغیر با زمان و تجزیه و تحلیل اجزای محدود استفاده کنند.

این روش‌ها به شناسایی تمرکز استرس موضعی یا شرایط بحرانی راه‌اندازی کمک می‌کنند.

با این حال، دقت نتایج به شرایط مرزی مناسب، خواص مواد، هندسه و اعتبارسنجی بستگی دارد.

8.4 پیکربندی مکانیکی مناسب را انتخاب کنید

رویکردهای طراحی بالقوه عبارتند از:

• حفظ ساختار ورق لوله ثابت زمانی که تأیید مکانیکی رضایت بخش است

• در نظر گرفتن درز انبساط در صورت لزوم

• ارزیابی ساخت لوله U

• ارزیابی ساخت و ساز سر شناور

• تنظیم مواد یا جزئیات ساختاری در جایی که موجه باشد

• بررسی ترتیبات پشتیبانی و لوله کشی

• اصلاح رویه های عملیاتی در جایی که عملی باشد

هیچ روش واحدی برای هر مبدل مناسب نیست.

8.5 شامل برنامه ریزی بازرسی و تعمیر و نگهداری

در تجهیزات عملیاتی، بازرسی ها باید بر مکان های مرتبط با مکانیسم آسیب واقعی و تاریخچه عملیاتی متمرکز شوند.

فعالیت‌های مربوطه ممکن است شامل بررسی نشتی، بازرسی اتصالات ورق لوله، بررسی جوش‌های قابل دسترس، بررسی روندهای عملیاتی، و انجام آزمایش‌های غیر مخرب مناسب (NDT) در صورت لزوم باشد.

تکنیک های بازرسی امکان پذیر به طراحی مبدل حرارتی، مواد، دسترسی و آسیب مشکوک بستگی دارد.

نشت های اتفاقی باید بررسی شود و صرفاً به تنش حرارتی نسبت داده نشود.

9. علائم هشدار دهنده آسیب استرس حرارتی چیست؟

9.1 لوله -to- لوله نشت ورق

نشت در نزدیکی اتصالات لوله به لوله می تواند نشان دهنده از دست دادن یکپارچگی مفصل باشد.

بارگذاری حرارتی ممکن است یکی از عوامل احتمالی باشد.

با این حال، مکانیسم های دیگری نیز باید در نظر گرفته شود، از جمله خوردگی، ارتعاش، فرسایش، و نقص های ساخت.

9.2 ترک در نزدیکی اتصالات جوشی

ترک‌ها ممکن است در مکان‌هایی که تحت فشار زیاد و مکرر قرار دارند ظاهر شوند.

انگشتان جوش، ناپیوستگی های هندسی، و سایر مناطق تمرکز تنش ممکن است نیاز به توجه ویژه داشته باشند.

وجود یک ترک برای تعیین علت اصلی آن کافی نیست. بررسی مناسب لازم است

9.3 لوله یا لوله تغییر شکل ورق

تغییر شکل غیرمنتظره ممکن است نشان دهد که بارهای مکانیکی از رفتار مورد نظر سازه فراتر رفته است.

عوامل بالقوه شامل انبساط حرارتی تفاضلی، بارگذاری فشار، نیروهای خارجی یا ترکیبی از این اثرات است.

9.4 شکست های مکرر پس از راه اندازی یا خاموش شدن

اگر نشت یا آسیب پس از راه‌اندازی، خاموش شدن، یا سایر رویدادهای عملیاتی خاص دوباره تکرار شود، زمان‌بندی این رویدادها ممکن است اطلاعات تشخیصی مفیدی را ارائه دهد.

اپراتورها باید سوابق دما، فشار و نرخ جریان را قبل و بعد از این رویدادها حفظ کنند.

بررسی خطا باید شرایط عملیاتی واقعی را با مفروضات طراحی مکانیکی مقایسه کند.

9.5 چگونه آسیب حرارتی را از سایر مشکلات تشخیص دهیم

قبل از انتخاب تعمیر یا اصلاح طراحی، تجزیه و تحلیل خرابی واجد شرایط لازم است.

10. خریداران برای کاهش ریسک استرس حرارتی چه چیزی باید مشخص کنند؟

10.1 داده های عملیات حرارتی کامل را ارائه دهید

یک تامین کننده باید شرایط عملیاتی سمت پوسته و سمت لوله را دریافت کند.

داده ها باید با طراحی کامل فرآیند سازگار باشد.

10.2 شرایط گذرا و غیر طبیعی را شرح دهید

برای بررسی استرس حرارتی معنادار، خریداران باید موارد زیر را نیز شناسایی کنند:

• خواه مبدل سرد شود یا از قبل گرم شود

• نرخ گرمایش و سرمایش مورد انتظار

• فراوانی راه اندازی و خاموش شدن عادی

• احتمال از دست دادن ناگهانی جریان

• تمیز کردن بخار یا سایر عملیات تمیز کردن خاص

• سناریوهای عملیاتی اضطراری

• طول عمر مورد انتظار عملیاتی و چرخه حرارتی

• ترتیبات کنترل و حفاظت مربوطه

در مواردی که داده های دقیق دمای گذرا در دسترس نیست، تامین کننده باید مفروضاتی را که نیاز به تایید دارند شناسایی کند.

10.3 طراحی مکانیکی و محدوده مستندات را تأیید کنید

خریداران باید از تامین کننده بپرسند که آیا مبدل پیشنهادی نیاز به ارزیابی دقیق انبساط حرارتی یا خستگی دارد.

بسته به پروژه، پیشنهاد فنی ممکن است نیاز به شناسایی موارد زیر داشته باشد:

• ساخت مبدل پیشنهادی

• نمرات مواد پوسته و لوله

• کد و نسخه طراحی قابل اجرا

• طراحی و موارد عملیاتی مربوطه

• الزامات طراحی مکانیکی ورق لوله

• الزامات درز انبساط، در صورت وجود

• نازل خارجی و بارهای پشتیبانی

• بازرسی و تست مورد نیاز

• نقشه کشی و محاسبات - مدارک مورد نیاز

در دسترس بودن محاسبات دقیق باید به عنوان بخشی از حوزه فنی و تجاری توافق شود.

10.4 چک لیست RFQ تنش حرارتی آماده برای استفاده

کاربرد پروژه: صنعتی خنک‌کاری / پردازش شیمیایی / بازیابی حرارت / سایر موارد

مبدل حرارتی نوع: ثابت لوله ورق / U- لوله / سر شناور / توصیه تامین کننده

وظیفه حرارتی: [ kW ]

سیال سمت پوسته: [مشخص کنید]

لوله -سیال جانبی: [مشخص کنید]

دمای ورودی و خروجی پوسته: [ °C ]

لوله -دمای ورودی و خروجی جانبی: [ °C ]

نرخ جریان سمت پوسته: [مشخص کنید]

لوله -نرخ جریان جانبی: [مشخص کنید]

فشارهای عملیاتی و طراحی: [هر دو طرف]

حداکثر و حداقل دمای سیال: [هر دو طرف]

فرکانس مورد انتظار راه اندازی و خاموش شدن: [مشخص کنید]

نرخ گرمایش و خنک‌کاری : [در صورت شناخته شدن]

سناریوهای عملیاتی غیرعادی: [مشخص کنید]

الزامات تمیز کردن بخار یا تمیز کردن حرارتی: [در صورت وجود]

الزامات مواد Shell و لوله : [مشخص کردن / درخواست توصیه]

کد طراحی قابل اجرا: [مشخص کنید]

عمر تجهیزات مورد انتظار و چرخه حرارتی: [مشخص کنید]

تجزیه و تحلیل مکانیکی مورد نیاز: [مشخص / درخواست توصیه]

مورد نیاز لوله و بار نازل: [مشخص کنید]

الزامات نصب و نگهداری: [مشخص کنید]

مدارک فنی مورد نیاز: [مشخص کنید]

مقدار و محل تحویل: [مشخص کنید]

سازنده باید مفروضات و اطلاعات برجسته را قبل از نهایی کردن طراحی مکانیکی شناسایی کند.

11. سوالات متداول در مورد استرس حرارتی Shell-and- لوله

11.1 علت اصلی تنش حرارتی در پوسته و- لوله مبدل حرارتی چیست؟

دلیل اصلی این است که تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی اجزای اتصال در حین کار در دماهای مختلف فلز سرکوب می شود.

دلایل مهم دیگر عبارتند از تغییرات سریع دما، گرادیان حرارتی موضعی، تفاوت مواد و چرخه حرارتی مکرر.

11.2 آیا اختلاف دما بیشتر همیشه به معنای استرس حرارتی بالاتر است؟

نه لزوما.

تنش همچنین به مهار سازه، سختی اجزا، خواص مواد، توزیع دمای محلی و تاریخچه عملیات بستگی دارد.

یک ساختار منعطف ممکن است تفاوت دما قابل توجهی را به طور موثرتر از یک طراحی بسیار مهار شده در خود جای دهد.

11.3 چرا مبدل‌های ورق ثابت لوله نسبت به انبساط دیفرانسیل حساس‌تر هستند؟

لوله ها و پوسته های آنها توسط صفحات لوله ثابت در دو انتها به هم متصل می شوند.

این توانایی آنها را برای انبساط مستقل محدود می کند و هنگامی که ضرایب انبساط حرارتی پوسته و بسته های لوله متفاوت است، نیروهای محوری و تنش های ورق لوله ایجاد می شود.

11.4 آیا U- لوله مبدل حرارتی می تواند استرس حرارتی را از بین ببرد؟

خیر

ساختار U-bend دارای حرکات حرارتی محوری خاصی است، اما شیب دمای محلی، بارگذاری U-bend، خستگی، تنش‌های فشار و سایر اثرات مکانیکی هنوز نیاز به بررسی دارند.

11.5 آیا اتصال انبساط از همه آسیب های ناشی از استرس حرارتی جلوگیری می کند؟

خیر

یک اتصال انبساط به درستی مهندسی شده می تواند بارهای انبساط دیفرانسیل خاص را کاهش دهد، اما فشار، حرکت، خستگی و الزامات طراحی مکانیکی خود را معرفی می کند.

هر مکانیسم تنش حرارتی را از بین نمی برد.

11.6 آیا استرس حرارتی می تواند باعث نشت لوله شود؟

بله.

بارگذاری حرارتی بیش از حد می تواند به آسیب یا از دست دادن یکپارچگی در اتصالات لوله به ورق لوله کمک کند.

با این حال، نشتی می تواند چندین علت دیگر داشته باشد و بررسی صحیح خرابی ضروری است.

11.7 آیا راه اندازی و خاموش شدن باید در طراحی مکانیکی گنجانده شود؟

بله، زمانی که این شرایط بارگذاری حرارتی یا مکانیکی مربوطه را ایجاد کند.

عملیات گذرا ممکن است سطوح تنشی ایجاد کند که با شرایط حالت پایدار عادی نشان داده نمی شود.

تجزیه و تحلیل مورد نیاز به ساخت مبدل، شرایط فرآیند و قوانین طراحی قابل اجرا بستگی دارد.

11.8 خریداران قبل از درخواست قیمت چه اطلاعاتی باید ارائه دهند؟

خریداران باید دمای سیال، نرخ جریان، فشارهای عملیاتی و طراحی، مواد مورد نیاز، شرایط راه‌اندازی و خاموشی، انتظارات چرخه حرارتی و هر سناریو عملیاتی غیرعادی را ارائه دهند.

این به تامین کننده اجازه می دهد تا تعیین کند کدام چک های مکانیکی مناسب هستند.

12. نتیجه گیری: تنش حرارتی باید به عنوان بخشی از طراحی مبدل حرارتی ارزیابی شود

تنش حرارتی یک ملاحظات مکانیکی مهم در طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله است، به ویژه زمانی که پوسته و بسته نرم افزاری دماهای مختلف یا تغییرات عملیاتی مکرر را تجربه می کنند.

علل اصلی آن عبارتند از انبساط حرارتی دیفرانسیل، مهار ساختاری، گذرای سریع دما، شیب دمایی موضعی، و چرخه حرارتی.

عواقب آن ممکن است بر صفحات لوله، اتصالات لوله به ورق لوله، اتصالات جوش داده شده و سایر اجزای مکانیکی تأثیر بگذارد.

مبدل های لوله ثابت نیاز به توجه خاصی دارند زیرا لوله های پوسته و مستقیم نمی توانند به طور مستقل منبسط شوند.

ترتیبات لوله U و سر شناور راه‌های جایگزینی را برای تطبیق حرکت دیفرانسیل ارائه می‌کنند، اگرچه ملاحظات طراحی و نگهداری خود را نیز معرفی می‌کنند.

برای مهندسان و خریداران صنعتی، اقدامات کلیدی عبارتند از:

• دمای عملیاتی معمولی و غیرعادی را تعریف کنید.

• انبساط حرارتی نسبی اجزای متصل را ارزیابی کنید.

• راه اندازی، خاموش شدن و چرخه های حرارتی مکرر را در نظر بگیرید.

• ساخت مبدل مناسب را انتخاب کنید.

• الزامات طراحی مکانیکی مناسب را اعمال کنید.

• در صورت لزوم، اتصالات انبساط، تکیه گاه ها و بارهای لوله های خارجی را بررسی کنید.

• محاسبات مکانیکی و مستندات لازم را بخواهید.

هدف حذف تمام انبساط حرارتی نیست. این اطمینان حاصل می شود که مبدل می تواند حرکت حرارتی مورد انتظار و بارهای مربوطه را در محدوده طراحی مکانیکی قابل اجرا تطبیق دهد.

12.1 کاوش Shell-and- لوله مبدل حرارتی راه حل از Aidear

Changzhou Aidear Refrigeration Technology Co., Ltd. راه حل های مبدل حرارتی پوسته و لوله را برای گرمایش صنعتی، سرمایش، تبرید، و کاربردهای مربوط به انتقال حرارت عرضه می کند.

پروژه های مختلف ممکن است به مواد لوله، آرایش صفحات لوله، پیکربندی پوسته و شرایط عملیاتی متفاوتی نیاز داشته باشند.

برای کاربردهایی که شامل تفاوت‌های دمایی قابل توجه یا چرخه حرارتی مکرر هستند، انتخاب تجهیزات باید علاوه بر محاسبات عملکرد حرارتی، شامل ارزیابی مکانیکی مناسب نیز باشد.

کاوش کنید Aidear مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله تا درباره پیکربندی‌های محصول موجود بیشتر بدانید.

مناسب بودن یک ساختمان خاص، درز انبساط، ترکیب مواد، یا الزامات طراحی مکانیکی باید برای هر پروژه تایید شود.

12.2 درخواست یک Shell-and- لوله مبدل حرارتی سفارشی

آیا یک مبدل حرارتی پوسته و لوله را برای فرآیندی با دمای عملیاتی بالا، تفاوت دمایی قابل توجه یا چرخه های راه اندازی و خاموشی مکرر انتخاب می کنید؟

وظیفه حرارتی، شرایط کار در سمت پوسته و سمت لوله، مواد مورد نیاز و تغییرات دمای مورد انتظار خود را با Aidear به اشتراک بگذارید.

تیم ما می تواند اطلاعات ارائه شده را بررسی کند و در مورد پیکربندی محصول مناسب، مشروط به ارزیابی فنی و در دسترس بودن محصول، بحث کند.

درخواست یک نقل قول سفارشی - در مورد شرایط عملیاتی Shell-and- لوله مبدل حرارتی خود با Aidear بحث کنید.