Što uzrokuje toplinski stres u školjkama i cijev izmjenjivač topline s?

Cijevni izmjenjivači topline naširoko se koriste u sustavima industrijskog hlađenja, kemijske obrade, proizvodnje električne energije, hlađenja i povrata topline. Oni prenose toplinu između dvije tekućine dok održavaju odvojenost između krugova na strani školjke i na strani cijevi.

Međutim, prijenos topline također uzrokuje širenje i skupljanje metalnih komponenti unutar izmjenjivača.

Kada omotač, cijevi, ploče ili druge povezane komponente dožive različite temperature, mogu se pokušati proširiti za različite količine. Ako je njihovo kretanje ograničeno, mogu se pojaviti mehanička naprezanja.

Ova su naprezanja posebno važna u izmjenjivačima topline s fiksnim cijevnim pločama, gdje su cijevi i ljuska strukturno povezani na oba kraja.

Ponavljane promjene temperature, brzo pokretanje, iznenadno gašenje i nenormalni radni uvjeti mogu stvoriti dodatno toplinsko opterećenje.

Tijekom vremena, prekomjerno toplinsko naprezanje može doprinijeti curenju spoja cijevi i ploče cijevi, deformaciji, pucanju uslijed zamora ili drugim mehaničkim oštećenjima.

Toplinsko naprezanje nije određeno samo radnom temperaturom. Ovisi o raspodjeli temperature, svojstvima materijala, strukturnom ograničenju i načinu na koji se radni uvjeti mijenjaju tijekom vremena.

Ovaj vodič objašnjava što uzrokuje toplinski stres u ljuskastim izmjenjivačima topline, gdje može doći do oštećenja, kako se različite konstrukcije izmjenjivača prilagođavaju toplinskom širenju i što bi inženjeri i industrijski kupci trebali provjeriti prije odabira opreme.

1. Što je toplinsko naprezanje u ljusci-i- cijev izmjenjivač topline ?

1.1 Razumijevanje toplinskog širenja

Većina metalnih materijala se širi kada se zagrijava i skuplja kada se hladi.

Za jednoliku promjenu temperature, slobodno toplinsko širenje ravne komponente može se aproksimirati prema:

ΔL = α × L × ΔT

Gdje:

• ΔL = Promjena duljine

• α = Koeficijent linearnog toplinskog širenja

• L = izvorna duljina

• ΔT = Promjena temperature materijala

Ovaj odnos opisuje promjenu duljine koja bi se dogodila da se komponenta može slobodno širiti.

Sam po sebi ne izračunava naprezanje u cijelom izmjenjivaču topline.

1.2 Kako toplinsko širenje postaje toplinski stres

Toplinsko širenje ne stvara automatski pretjerano mehaničko naprezanje.

Ako se metalna komponenta može slobodno širiti, njezine se dimenzije mogu promijeniti bez generiranja istih steznih naprezanja povezanih s fiksnom vezom.

Toplinsko naprezanje nastaje kada je toplinska deformacija spriječena, djelomično ograničena ili postane nekompatibilna s kretanjem povezanih komponenti.

U cijevnom izmjenjivaču topline, ljuska, cijevi i cijevni limovi čine međusobno povezanu mehaničku strukturu.

Kada se ove komponente pokušavaju drugačije proširiti ili skupiti, na njihovim se spojevima mogu razviti sile i momenti.

1.2.1 Toplinsko naprezanje u odnosu na toplinsko naprezanje

Toplinska deformacija opisuje deformaciju povezanu s promjenom temperature.

Toplinsko naprezanje opisuje unutarnji mehanički odgovor kada je ta deformacija ograničena.

Komponenta može doživjeti znatnu toplinsku ekspanziju bez pretjeranog naprezanja ako je njezino kretanje odgovarajuće prilagođeno.

Suprotno tome, relativno mali diferencijalni pokret može stvoriti značajno lokalno naprezanje u krutom, vrlo ograničenom sklopu.

1.2.1.1 Zašto mali pokret može biti važan

Tijekom temperaturnih promjena, cijev se može proširiti samo za nekoliko milimetara.

Ako su oba kraja ograničena fiksnim cijevnim pločama, do ovog širenja ne može doći neovisno o okolnoj strukturi.

Rezultirajuće sile ovise o krutosti i geometriji cijevi, ljuske, cijevne ploče i spojeva.

Stoga je procjena dopuštenog mikromomenta ključni aspekt mehaničkog dizajna.

1.3 Toplinsko naprezanje razlikuje se od tlačnog naprezanja

Tlačni stres i toplinski stres imaju različite fizičke uzroke.

Tlačno naprezanje uzrokovano je unutarnjim ili vanjskim pritiscima koji djeluju na tlačne granice izmjenjivača topline.

Toplinsko naprezanje uzrokovano je temperaturno ovisnim deformacijama i ograničenjima.

Obje mogu koegzistirati.

Izmjenjivač topline može zadovoljiti svoje zahtjeve projektiranja tlaka, ali toplinsko širenje i prijelazne temperaturne učinke i dalje treba zasebno procijeniti.

Konačni mehanički dizajn mora uzeti u obzir sve primjenjive kombinacije opterećenja.

Za uvod u glavne komponente, pogledajte Aidear plaštno-cijevni izmjenjivači topline Objašnjen princip rada.

2. Što uzrokuje toplinski stres u školjkama i cijev izmjenjivač topline s?

2.1 Različite temperature metala na strani ljuske i na cijev strani

Jedan od glavnih uzroka toplinskog naprezanja je razlika između temperatura ljuske i snopa cijevi.

Na primjer, vruća procesna tekućina može cirkulirati kroz cijevi dok hladnija tekućina teče kroz školjku.

Cijevi i ljuska tada mogu imati različite prosječne temperature metala.

Kao rezultat toga, pokušavaju se proširiti za različite količine.

U konstrukcijama s fiksnim cijevnim pločama, ovo diferencijalno toplinsko širenje je ograničeno vezama između ljuske, cijevi i cijevnih ploča.

Rezultirajuće mehaničke sile moraju se procijeniti tijekom projektiranja.

2.2 Različiti koeficijenti toplinskog širenja

Različiti materijali mogu imati različite koeficijente toplinskog širenja.

Na primjer, nehrđajući čelik i ugljični čelik mogu se širiti različitim brzinama pod istom temperaturnom promjenom.

Ako su različite legure spojene na isti izmjenjivač topline, njihova se toplinska gibanja možda neće podudarati čak i ako su temperaturne promjene slične.

Stoga se pri odabiru materijala mora uzeti u obzir više od otpornosti na koroziju i toplinske vodljivosti.

Jednako su važni koeficijent toplinskog rastezanja, elastična svojstva, dopušteno naprezanje i raspon radne temperature.

2.3 Brzo pokretanje i gašenje

Tijekom pokretanja, neke komponente izmjenjivača mogu se zagrijati puno brže od drugih.

Na primjer, vrući fluid koji ulazi u prethodno hladan izmjenjivač može brzo povisiti temperaturu ulaznog područja i susjednih cijevi.

U međuvremenu, omotač, udaljene ploče cijevi i potporne komponente mogu ostati hladnije.

Ova privremena temperaturna neravnoteža može stvoriti lokalizirana toplinska naprezanja.

Tijekom isključivanja, iste komponente mogu se hladiti različitim brzinama.

2.3.1 Zašto prolazno naprezanje može premašiti naprezanje u stabilnom stanju

Nakon što izmjenjivač topline postigne stabilno radno stanje, raspodjela temperature metala postaje ujednačenija ili pokazuje predvidljiv uzorak.

Međutim, tijekom pokretanja temperaturno polje se nastavlja mijenjati.

Neke komponente mogu privremeno doživjeti velike temperaturne razlike ili ekspanziju.

Stoga se najveće mehaničko naprezanje može dogoditi prije nego što izmjenjivač topline postigne normalne radne uvjete.

2.3.1.1 Zašto same projektirane temperature mogu biti nedostatne

Kupac može odrediti samo normalne ulazne i izlazne temperature tekućine.

Ove vrijednosti su korisne za termodinamički odabir, ali možda ne opisuju najzahtjevnije mehaničke uvjete.

Za primjene koje uključuju brzo zagrijavanje ili hlađenje, dobavljač također može zahtijevati početnu temperaturu, brzinu promjene temperature, radni redoslijed i druge prijelazne uvjete.

2.4 Neravnomjerna raspodjela temperature unutar izmjenjivača

Toplinski stres također se može razviti kada različita područja iste komponente rade na različitim temperaturama.

Mogući uzroci uključuju:

• Neravnomjerna raspodjela protoka na strani školjke

• Nejednolik protok na strani cijevi

• Lokalizirano onečišćenje

• cijev blokada

• Neravnomjerno zagrijavanje ili hlađenje

• Nepovoljni uzorci ulaznog protoka

Ovi uvjeti mogu stvoriti lokalne vruće točke ili hladne regije.

Rezultirajući toplinski gradijenti mogu uzrokovati savijanje, izobličenje i lokalizirane koncentracije naprezanja.

2.5 Ponovljeni toplinski ciklusi

Neki industrijski procesi rade kontinuirano u relativno stabilnim uvjetima.

Drugi zahtijevaju česte cikluse pokretanja, isključivanja, grijanja ili hlađenja.

Ponovljene promjene temperature uzrokuju ponovljene mehaničke deformacije.

Tamo gdje su rezultirajući rasponi naprezanja ili deformacija dovoljno jaki, oštećenje uslijed zamora može se akumulirati tijekom vremena.

To se obično opisuje kao toplinski zamor.

Rizik ovisi o temperaturnim ciklusima, svojstvima materijala, geometriji, koncentracijama naprezanja i povijesti rada.

2.6 Nenormalni procesni uvjeti

Neuobičajeni radni događaji mogu stvoriti raspodjelu temperature koja se bitno razlikuje od normalnog rada.

Primjeri uključuju:

• Gubitak protoka na strani cijevi

• Gubitak protoka na strani ljuske

• Iznenadni prekid rashladne vode

• Čišćenje parom ili isparavanje

• Brzo gašenje procesa

• Neočekivani uvod vruće tekućine

• Brze promjene toplinskog opterećenja

Ovi uvjeti mogu zahtijevati dodatnu toplinsko-mehaničku analizu.

Dizajn prikladan za stabilan rad nije automatski prikladan za svako poremećeno stanje.

3. Gdje se razvija toplinski stres unutar izmjenjivača?

3.1 cijev list i veze ljuske

Cijevni sloj odvaja tekućinu na strani školjke od tekućine na strani cijevi i podupire snop cijevi.

U fiksnom cijevnom izmjenjivaču topline, obje cijevne ploče su spojene na plašt, a cijevni snop je fiksiran između dvije cijevne ploče.

Ovaj raspored ograničava diferencijalnu ekspanziju.

Rezultirajuća mehanička opterećenja mogu dovesti do savijanja cijevne ploče, aksijalnog naprezanja na cijevima i naprezanja na spoju ljuske i cijevi.

3.2 cijev -to- cijev spojevi lista

cijev -spojevi cijevne ploče moraju održavati potrebnu mehaničku vezu i odvajanje tekućine.

Ovi spojevi mogu koristiti zavarivanje, mehaničko širenje ili odgovarajuću kombinaciju, ovisno o dizajnu.

Ponavljani diferencijalni pokreti ili pretjerano mehaničko opterećenje mogu utjecati na cjelovitost zgloba.

Moguće posljedice uključuju curenje, lokalnu deformaciju ili oštećenje veze.

Međutim, curenje nije dokaz samo toplinskog stresa.

Korozija, vibracije, nedostaci u proizvodnji i drugi mehanizmi mogu proizvesti slične simptome.

3.3 cijev Područja snopa i U-savijanja

Cijevi mogu biti izložene aksijalnim opterećenjima, savijanju ili lokalnim gradijentima temperature.

Kod U-cijevnih izmjenjivača topline, savijena cijev pruža fleksibilnost za prilagođavanje aksijalnog toplinskog širenja.

Međutim, područje U-savijanja nije u potpunosti imuno na mehanička naprezanja.

Ponovljeni toplinski ciklusi, lokalizirane temperaturne razlike, vibracije izazvane protokom i drugi uvjeti opterećenja i dalje zahtijevaju procjenu.

3.4 Školjka, varovi i mlaznice

Toplinsko naprezanje nije ograničeno na snop cijevi.

Ljuska može doživjeti toplinske gradijente duž svoje duljine ili kroz debljinu stijenke.

Zavareni spojevi i mlaznice također mogu doživjeti lokalna naprezanja uzrokovana toplinskom deformacijom i vanjskim ograničenjem cijevi.

3.4.1 Zašto se moraju uzeti u obzir opterećenja cjevovoda

Ako spojeni cjevovod ograničava kretanje izmjenjivača ili prenosi prekomjerne sile i momente na njegove mlaznice, mehaničko opterećenje se može povećati.

Učinak ovisi o rasporedu nosača, fleksibilnosti cjevovoda, toplinskom širenju spojenog sustava i konstrukciji izmjenjivača.

3.4.1.1 izmjenjivač topline Proširenje i širenje cjevovoda su različite provjere dizajna

Snopovi unutarnjih cijevi i vanjski sustavi cjevovoda mogu imati različite zahtjeve za toplinskim širenjem i skupljanjem.

Čak i s dizajnom kompenzacije unutarnje ekspanzije, izmjenjivač topline još uvijek može doživjeti prekomjerno vanjsko opterećenje mlaznice.

Ako je potrebno, treba uskladiti mehanički dizajn izmjenjivača topline i analizu fleksibilnosti cjevovoda.

4. Zašto su fiksne cijev ploče izmjenjivač topline osjetljive na toplinski stres?

4.1 Kako fiksni- cijev konstrukcija lista ograničava širenje

Izmjenjivač s fiksnom cijevnom pločom koristi ravne cijevi spojene između dvije cijevne ploče, s cijevnom pločom pričvršćenom za omotač.

Fiksne veze ograničavaju nezavisno aksijalno kretanje između snopa cijevi i ljuske.

Ako se cijevi i ljuska pokušaju proširiti za različite količine, strukturni sustav razvija sile kako bi održao kompatibilnost deformacije.

Zbog toga je diferencijalno toplinsko širenje značajno razmatranje dizajna za konstrukciju s fiksnim cijevnim pločama.

4.2 Zašto se fiksni- cijev izmjenjivači ploča još uvijek naširoko koriste

Dizajni fiksnih cijevnih ploča nude praktične prednosti za mnoge industrijske primjene.

Ovisno o konfiguraciji, to može uključivati:

• Relativno jednostavna konstrukcija

• Kompaktan mehanički raspored

• Prikladan pristup za odgovarajuće čišćenje na strani cijevi

• Potencijalno niža složenost proizvodnje od određenih dizajna s uklonjivim snopovima

Oni mogu biti prikladni kada su toplinski i mehanički uvjeti opterećenja prihvatljivi.

Prisutnost temperaturne razlike ne čini automatski izmjenjivač s pločom fiksnih cijevi neprikladnim.

4.3 Kada se može uzeti u obzir dilatacijski spoj

Dilatacijski spoj ljuske može pružiti dodatnu fleksibilnost u odgovarajućem dizajnu fiksne cijevne ploče.

Može smanjiti sile povezane s diferencijalnim aksijalnim toplinskim širenjem.

Međutim, dodavanje dilatacijske spojnice uvodi druga razmatranja dizajna.

To može uključivati:

• Opterećenje tlakom

• Aksijalno kretanje

• Život umora

• Mehanička stabilnost

• Instalacijska ograničenja

• Inspekcijski zahtjevi

• Vanjsko opterećenje

4.3.1 Zašto dilatacijski spoj nije univerzalno rješenje

Dilatacijski spoj može pomoći u prilagođavanju aksijalnog pomicanja, ali ne rješava neovisno svaki problem toplinskog naprezanja.

Lokalni gradijenti temperature, naprezanja između cijevi i ploča, tlačna opterećenja i drugi mehanički učinci mogu ostati važni.

4.3.1.1 Što treba provjeriti prije dodavanja dilatacijske spojnice?

Dizajneri bi trebali procijeniti očekivani pomak, radni tlak, potisak tlaka, zahtjeve za zamor, priključna opterećenja i primjenjive specifikacije mehaničkog dizajna.

Odabir dilatacijskih spojeva treba se temeljiti na sveobuhvatnoj mehaničkoj procjeni i ne smiju se samovoljno dodavati samo zato što izmjenjivač topline radi na visokim temperaturama.

5. Fiksni cijev list u odnosu na U- cijev u odnosu na plutajuću glavu: Što se bolje nosi s toplinskim širenjem?

5.1 Fiksni- cijev list izmjenjivač topline s

Dizajni fiksnih cijevnih ploča ograničavaju diferencijalno aksijalno kretanje između ljuske i ravnog snopa cijevi.

To može stvoriti toplinska naprezanja kada komponente dožive različita toplinska širenja.

Dizajn još uvijek može biti prikladan ako kombinirana mehanička naprezanja zadovoljavaju primjenjive zahtjeve.

5.2 U- cijev izmjenjivač topline s

U-cijevni izmjenjivač koristi cijevi savijene u obliku slova U, s oba kraja pričvršćena za zajedničku cijevnu ploču.

Raspored zakrivljenih cijevi omogućuje snopu cijevi da se prilagodi toplinskom pomicanju drugačije od dizajna ravne cijevi s fiksnom cijevnom pločom.

To može smanjiti aksijalno ograničenje povezano s diferencijalnom ekspanzijom ljuska-cijev.

Međutim, U-cijevi mogu stvoriti dodatne izazove za unutarnje mehaničko čišćenje i određene operacije održavanja.

Zamor od U-savijanja i lokalna toplinska naprezanja i dalje se moraju ocijeniti tamo gdje je relevantno.

5.3 Plutajuća glava izmjenjivač topline s

Izmjenjivači topline s plutajućom glavom omogućuju pomicanje stražnjeg kraja snopa cijevi u odnosu na ljusku.

Time se prilagođavaju varijacije u aksijalnom koeficijentu toplinskog širenja.

Ovisno o specifičnom dizajnu, izmjenjivači topline s pokretnom glavom također omogućuju rastavljanje snopa cijevi radi održavanja.

Međutim, mehanička struktura izmjenjivača topline s pokretnom glavom je složenija i može zahtijevati dodatne uređaje za brtvljenje i mjere održavanja.

5.4 Usporedba smještaja toplinske ekspanzije

Ispravna konfiguracija ovisi o radnim temperaturama, svojstvima materijala, zahtjevima za tlak, potrebama čišćenja i troškovima životnog ciklusa.

U-cijev ili izmjenjivač s plutajućom glavom mogu smanjiti određena diferencijalna naprezanja širenja, ali nijedan dizajn ne eliminira sve mehanizme toplinskog naprezanja.

6. Inženjerski primjer: Do kolikog diferencijalnog širenja može doći?

6.1 Hipotetski izmjenjivač topline uvjeti

Razmotrite ilustrativni izmjenjivač topline s ravnom cijevi uz sljedeće pretpostavke:

Temperature su pojednostavljeni ujednačeni prosjeci za ilustraciju.

Koeficijenti su približni i ne bi trebali zamijeniti svojstva materijala ovisna o temperaturi u mehaničkom dizajnu.

6.2 Izračunajte slobodno toplinsko širenje

Za snop cijevi:

cijev Ekspanzija = 12 × 10⁻⁶ × 4 × 100

cijev Proširenje = 0,0048 m = 4,8 mm

Za školjku:

Proširenje školjke = 12 × 10⁻⁶ × 4 × 60

Proširenje ljuske = 0,00288 m = 2,88 mm

Razlika u slobodnom toplinskom širenju je:

Diferencijalno širenje = 4,8 − 2,88 = 1,92 mm

Pod pojednostavljenim pretpostavkama, snop cijevi bi se pokušao proširiti otprilike 1,92 mm više od ljuske.

6.3 Zašto 1,92 mm ne određuje izravno naprezanje

Izračunati pomak predstavlja razliku između dva hipotetska slobodna toplinska širenja.

To nije izmjerena deformacija montiranog izmjenjivača.

U konstrukciji s fiksnim cijevnim pločama, konačne sile i naprezanja ovise o krutosti i geometriji cijele spojene strukture.

Važni čimbenici uključuju broj cijevi, debljinu stijenke cijevi, krutost ljuske, krutost cijevne ploče, svojstva materijala, tlačna opterećenja i stvarne raspodjele temperature.

6.3.1 Zašto je jednostavan izračun slobodnog širenja koristan

Ovaj izračun pokazuje da se diferencijalni pomak treba procijeniti čak i ako obje komponente koriste isti nazivni materijal.

Pomaže u prepoznavanju važnosti relativnih promjena temperature i efektivne duljine komponenti.

Međutim, ne može utvrditi je li izmjenjivač topline siguran.

6.3.1.1 Što je potrebno za procjenu mehaničkog naprezanja?

Procjena mehaničkog dizajna može zahtijevati:

• Stvarne dimenzije ljuske i cijevi

• Svojstva materijala ovisna o temperaturi

• Radni i proračunski pritisci

• Srednje temperature metala

• Diferencijalno toplinsko širenje

• Relevantni uvjeti za obuzdavanje i potporu

• Potrebni radni i prijelazni slučajevi opterećenja

Zatim se mora izvršiti izračun na temelju koda ili odgovarajuća detaljna analiza.

6.4 Što ako su cijev i materijali školjke različiti?

Kada se materijali razlikuju, pojednostavljena razlika u slobodnom aksijalnom širenju može se izraziti kao:

Diferencijalno širenje = L × (αt × ΔTt − αs × ΔTs)

Gdje:

• αt = cijev koeficijent širenja materijala

• αs = Koeficijent širenja materijala ljuske

• ΔTt = Promjena srednje temperature metala u cijevi

• ΔTs = Promjena srednje temperature metala ljuske

Ovaj izraz pretpostavlja uobičajenu referentnu duljinu i pojednostavljene ravnomjerne promjene temperature.

U pravim izmjenjivačima, geometrija i temperaturne varijacije duž komponenti mogu zahtijevati detaljniji izračun.

Jednadžbu ne treba tretirati kao potpunu procjenu naprezanja cijevne ploče ili tlačne posude.

7. Kako pokretanje, gašenje i termički ciklusi utječu na umor?

7.1 Brze promjene temperature i toplinski udar

Toplinski šok odnosi se na učinke brzih promjena temperature i rezultirajućih temperaturnih gradijenata.

Na primjer, brzo ubrizgavanje visokotemperaturne tekućine u niskotemperaturni izmjenjivač topline može uzrokovati da se ulazno područje zagrijava mnogo brže od ostalih komponenti.

To može generirati značajno lokalizirano toplinsko naprezanje prije nego što se temperatura rasutog metala stabilizira.

7.2 Ponovljeni ciklusi i oštećenja uslijed zamora

Toplinski zamor nastaje kada ponavljano zagrijavanje i hlađenje stvara cikličko naprezanje ili deformaciju.

Iako je broj ciklusa važan, intenzitet tih ciklusa jednako je bitan.

Sustavi koji doživljavaju male, postupne promjene temperature mogu se ponašati vrlo drugačije od sustava koji doživljavaju česte, drastične temperaturne prijelaze.

7.3 Posebni operativni događaji koji zahtijevaju pregled

Određeni događaji mogu biti zahtjevniji od normalnog rada proizvodnje.

Ovi mehanizmi zahtijevaju procjenu specifičnu za projekt, a ne univerzalno operativno ograničenje.

7.4 Kako smanjiti rizik od toplinskih ciklusa

Mogući pristupi uključuju:

• Definiranje kontroliranih sekvenci pokretanja i gašenja

• Koordiniranje unosa tekućine i promjena temperature

• Pregled učestalosti i ozbiljnosti toplinskih ciklusa

• Odabir mehanički prikladne konfiguracije izmjenjivača

• Praćenje nenormalnih temperatura i uvjeta protoka

• Provjera poznatih mjesta osjetljivih na stres

Promjene u postupcima pokretanja ili gašenja treba pregledati kvalificirano inženjersko osoblje.

Odgovarajući slijed ovisi o procesu i sigurnosnim zahtjevima tlačne opreme.

8. Kako inženjeri mogu procijeniti i smanjiti toplinski stres?

8.1 Pregledajte sve relevantne dizajne i radne uvjete

Toplinsko-mehanička procjena treba uzeti u obzir više od jedne normalne radne točke.

Traženi uvjeti mogu uključivati:

• Normalan rad pod punim opterećenjem

• Rad s minimalnim opterećenjem

• Pokretanje i gašenje

• Maksimalna temperaturna razlika

• Maksimalni i minimalni pritisci

• Postupci čišćenja i parenja

• Scenariji gubitka protoka

• Relevantni uvjeti poremećaja procesa

Najteži slučaj toplinskog naprezanja možda se neće podudarati s maksimalnim projektiranim tlakom ili normalnom radnom temperaturom.

8.2 Primijenite odgovarajuća pravila mehaničkog dizajna

Ovisno o projektu, nadležnosti i primjenjivoj konstrukciji opreme, relevantne inženjerske reference mogu uključivati:

• ASME Kodeks kotlova i tlačnih posuda, odjeljak VIII

• Primjenjive odredbe dijela UHX za cijevne ploče cijevnog izmjenjivača

• TEMA standardi

• EN 13445 za primjenjive tlačne posude koje nisu izložene plamenu

• Ostali kodovi ili specifikacije specifični za projekt

Ove reference nemaju identične opsege.

Kupac i dobavljač moraju se dogovoriti o primjenjivom kodu, izdanju, osnovi mehaničkog dizajna i zahtjevima za dokumentaciju.

Korištenje priznatog standarda u izračunu ne uspostavlja automatski certifikaciju ili žigosanje koda.

8.3 Zajedno koristite toplinsku i strukturnu analizu

Toplinska analiza koristi se za određivanje temperature i ponašanja prijenosa topline unutar izmjenjivača topline.

Strukturna analiza koristi se za procjenu nastale deformacije, sila i naprezanja.

Za složene prijelazne uvjete, inženjeri mogu koristiti vremenski promjenjive izračune temperature i analizu konačnih elemenata.

Ove metode pomažu identificirati lokalizirane koncentracije naprezanja ili kritične uvjete pokretanja.

Međutim, točnost rezultata ovisi o odgovarajućim rubnim uvjetima, svojstvima materijala, geometriji i validaciji.

8.4 Odaberite prikladnu mehaničku konfiguraciju

Potencijalni pristupi dizajnu uključuju:

• Zadržavanje konstrukcije fiksne cijevne ploče kada je mehanička provjera zadovoljavajuća

• Razmatranje dilatacijske spojnice gdje je to prikladno

• Procjena konstrukcije U-cijevi

• Procjena konstrukcije s pokretnom glavom

• Prilagodba materijala ili strukturnih detalja gdje je to opravdano

• Pregled potpore i rasporeda cjevovoda

• Promjena operativnih postupaka gdje je to praktično

Niti jedna metoda nije prikladna za svaki izmjenjivač.

8.5 Uključite planiranje pregleda i održavanja

U operativnoj opremi, inspekcije bi se trebale usredotočiti na lokacije povezane sa stvarnim mehanizmom oštećenja i radnom poviješću.

Relevantne aktivnosti mogu uključivati ​​provjeru curenja, pregled spojeva cijevnih ploča, ispitivanje dostupnih zavarenih spojeva, pregled operativnih trendova i provođenje odgovarajućeg ispitivanja bez razaranja (NDT) prema potrebi.

Izvedive tehnike pregleda ovise o dizajnu izmjenjivača topline, materijalima, dostupnosti i sumnji na oštećenje.

Slučajna curenja treba istražiti, a ne jednostavno pripisati toplinskom stresu.

9. Koji su znakovi upozorenja oštećenja uslijed toplinskog stresa?

9.1 cijev -to- cijev list Propuštanje

Propuštanje u blizini spojeva cijevi i cijevnih ploča može ukazivati ​​na gubitak cjelovitosti spoja.

Toplinsko opterećenje može biti jedan od mogućih doprinosa.

Međutim, moraju se uzeti u obzir i drugi mehanizmi, uključujući koroziju, vibracije, eroziju i nedostatke u proizvodnji.

9.2 Pukotine u blizini zavarenih spojeva

Pukotine se mogu pojaviti na mjestima koja su izložena velikom, ponavljajućem naprezanju.

Vrhovi zavara, geometrijski diskontinuiteti i druga područja koncentracije naprezanja mogu zahtijevati posebnu pozornost.

Sama prisutnost pukotine nije dovoljna za utvrđivanje njezinog temeljnog uzroka; potrebna je odgovarajuća istraga.

9.3 Deformacija lista cijev ili cijev

Neočekivana deformacija može značiti da su mehanička opterećenja premašila predviđeno ponašanje konstrukcije.

Potencijalni doprinosi uključuju diferencijalno toplinsko širenje, tlačno opterećenje, vanjske sile ili kombinacije ovih učinaka.

9.4 Ponovljeni kvarovi nakon pokretanja ili gašenja

Ako se nakon pokretanja, isključivanja ili drugih specifičnih radnih događaja ponovno pojave curenja ili oštećenja, vrijeme tih događaja može pružiti korisne dijagnostičke informacije.

Operateri bi trebali voditi evidenciju o temperaturi, tlaku i brzinama protoka prije i nakon ovih događaja.

Istrage kvarova trebaju usporediti stvarne radne uvjete s pretpostavkama mehaničkog dizajna.

9.5 Kako razlikovati toplinsko oštećenje od drugih problema

Prije odabira popravka ili modifikacije dizajna potrebna je kvalificirana analiza kvara.

10. Što bi kupci trebali navesti kako bi smanjili rizik od toplinskog stresa?

10.1 Navedite potpune podatke o toplinskom radu

Dobavljač bi trebao dobiti radne uvjete i na strani ljuske i na strani cijevi.

Podaci trebaju biti u skladu s cjelokupnim dizajnom procesa.

10.2 Opišite prolazne i abnormalne uvjete

Za smislenu procjenu toplinskog opterećenja, kupci bi također trebali identificirati:

• Bilo da izmjenjivač počinje hladan ili već topao

• Očekivana brzina grijanja i hlađenja

• Učestalost normalnog pokretanja i isključivanja

• Mogućnost iznenadnog gubitka protoka

• Čišćenje parom ili drugi posebni postupci čišćenja

• Operativni scenariji u hitnim slučajevima

• Očekivani radni vijek i toplinski ciklusi

• Odgovarajuće mjere kontrole i zaštite

Tamo gdje točni podaci o prijelaznoj temperaturi nisu dostupni, dobavljač treba identificirati pretpostavke koje zahtijevaju potvrdu.

10.3 Potvrdite mehanički dizajn i opseg dokumentacije

Kupci bi trebali pitati dobavljača zahtijeva li predloženi izmjenjivač detaljnu procjenu diferencijalnog toplinskog širenja ili zamora.

Ovisno o projektu, tehnički prijedlog će možda trebati identificirati:

• Predložena konstrukcija izmjenjivača

• Vrste materijala za ljuske i cijevi

• Primjenjivi kod dizajna i izdanje

• Relevantni dizajn i operativni slučajevi

• cijev zahtjevi za mehanički dizajn lima

• Zahtjevi za dilatacijski spoj, ako je primjenjivo

• Vanjska mlaznica i potporna opterećenja

• Obavezan pregled i ispitivanje

• Zahtjevi crteža i proračunske dokumentacije

Dostupnost detaljnih proračuna treba dogovoriti u sklopu tehničkog i komercijalnog opsega.

10.4 Popis zahtjeva za upite o toplinskom stresu spreman za uporabu

Primjena projekta: Industrijska hlađenje / Kemijska obrada / Oporaba topline / Ostalo

izmjenjivač topline Vrsta: Fiksni cijev list / U- cijev / Plutajuća glava / Preporuka dobavljača

Opterećenje topline: [ kW ]

Tekućina na strani školjke: [Navedite]

cijev -Bočna tekućina: [Navedite]

Ulazne i izlazne temperature na strani školjke: [ °C ]

cijev -Bočne ulazne i izlazne temperature: [ °C ]

Brzina protoka na strani školjke: [Navedite]

cijev -Bočni protok: [Navedite]

Radni i projektirani pritisci: [obje strane]

Maksimalne i minimalne temperature tekućine: [obje strane]

Očekivana učestalost pokretanja i gašenja: [Navedite]

Cijene grijanja i hlađenje : [ako je poznato]

Neuobičajeni radni scenariji: [Navedite]

Zahtjevi za čišćenje parom ili toplinsko čišćenje: [ako je primjenjivo]

Zahtjevi za ljusku i cijev materijal: [Navedite / Zatražite preporuku]

Primjenjivi kod dizajna: [Navedite]

Očekivani životni vijek opreme i toplinski ciklusi: [Navedite]

Potrebna mehanička analiza: [Navedite / Zatražite preporuku]

Zahtjevi za opterećenje cijevi i mlaznice: [Navedite]

Zahtjevi za instalaciju i održavanje: [Navedite]

Potrebna tehnička dokumentacija: [Navedite]

Količina i mjesto isporuke: [Navedite]

Proizvođač bi trebao identificirati pretpostavke i izvanredne informacije prije dovršetka mehaničkog dizajna.

11. Često postavljana pitanja o toplinskom naprezanju školjke i cijev

11.1 Koji je glavni uzrok toplinskog naprezanja u ljusci-i- cijev izmjenjivač topline ?

Primarni razlog je to što je razlika u koeficijentima toplinskog širenja spojnih komponenti tijekom rada pri različitim temperaturama metala potisnuta.

Ostali važni razlozi uključuju brze promjene temperature, lokalne toplinske gradijente, razlike u materijalu i ponovljene toplinske cikluse.

11.2 Znači li veća temperaturna razlika uvijek veće toplinsko naprezanje?

Nije nužno.

Naprezanje također ovisi o strukturnom ograničenju, krutosti komponenti, svojstvima materijala, lokalnoj raspodjeli temperature i povijesti rada.

Fleksibilna konstrukcija može se učinkovitije prilagoditi znatnoj temperaturnoj razlici od vrlo suzdržanog dizajna.

11.3 Zašto su fiksni- cijev pločasti izmjenjivači osjetljiviji na diferencijalnu ekspanziju?

Njihove cijevi i ljuske spojene su fiksnim cijevnim listovima na oba kraja.

To ograničava njihovu sposobnost samostalnog širenja, a kada se koeficijenti toplinskog širenja ljuske i snopova cijevi razlikuju, stvaraju se aksijalne sile i naprezanja cijevne ploče.

11.4 Može li U- cijev izmjenjivač topline eliminirati toplinski stres?

Ne.

Konstrukcija U-zavoja prilagođava se određenim aksijalnim toplinskim pomacima, ali lokalni gradijenti temperature, opterećenje U-zavoja, zamor, tlačna naprezanja i drugi mehanički učinci i dalje zahtijevaju razmatranje.

11.5 Sprječava li dilatacijski spoj sva oštećenja uslijed toplinskog naprezanja?

Ne.

Ispravno konstruiran dilatacijski spoj može smanjiti specifična diferencijalna dilatacijska opterećenja, ali uvodi vlastite zahtjeve za tlak, kretanje, zamor i mehanički dizajn.

Ne eliminira svaki mehanizam toplinskog naprezanja.

11.6 Može li toplinski stres uzrokovati cijev curenje?

Da.

Pretjerano toplinsko opterećenje može pridonijeti oštećenju ili gubitku cjelovitosti na spojevima cijevi i cijevne ploče.

Međutim, curenje može imati nekoliko drugih uzroka i potrebno je pravilno ispitivanje kvara.

11.7 Trebaju li pokretanje i gašenje biti uključeni u mehanički dizajn?

Da, kada ti uvjeti stvaraju relevantno toplinsko ili mehaničko opterećenje.

Prijelazni rad može generirati razine stresa koje ne predstavljaju normalni stacionarni uvjeti.

Potrebna analiza ovisi o konstrukciji izmjenjivača, uvjetima procesa i primjenjivim pravilima projektiranja.

11.8 Koje podatke kupci trebaju dati prije nego što zatraže ponudu?

Kupci bi trebali dostaviti temperature tekućine, protoke, radne i projektne tlakove, zahtjeve za materijalima, uvjete pokretanja i isključivanja, očekivanja termičkih ciklusa i sve nenormalne scenarije rada.

To omogućuje dobavljaču da odredi koje su mehaničke provjere prikladne.

12. Zaključak: Toplinsko naprezanje mora se procijeniti kao dio izmjenjivač topline dizajna

Toplinsko naprezanje važno je mehaničko razmatranje u dizajnu ljuske i cijevi izmjenjivača topline, osobito kada snop ljuske i cijevi doživljava različite temperature ili ponovljene radne promjene.

Njegovi glavni uzroci uključuju različito toplinsko širenje, strukturno ograničenje, brze temperaturne prijelazne pojave, lokalizirane temperaturne gradijente i toplinske cikluse.

Posljedice mogu utjecati na cijevne ploče, spojeve između cijevi i cijevnih ploča, zavarene spojeve i druge mehaničke komponente.

Izmjenjivači s fiksnim pločama cijevi zahtijevaju posebnu pozornost jer se ljuska i ravne cijevi ne mogu samostalno širiti.

Raspored U-cijevi i plutajuće glave pružaju alternativne načine za prilagođavanje diferencijalnog kretanja, iako također uvode vlastita razmatranja dizajna i održavanja.

Za inženjere i industrijske kupce ključne radnje su sljedeće:

• Definirajte normalne i abnormalne radne temperature.

• Ocijenite relativno toplinsko širenje povezanih komponenti.

• Razmotrite pokretanje, isključivanje i ponovljene toplinske cikluse.

• Odaberite odgovarajuću konstrukciju izmjenjivača.

• Primijenite odgovarajuće zahtjeve mehaničkog dizajna.

• Pregledajte dilatacijske spojeve, oslonce i vanjska opterećenja cjevovoda gdje je relevantno.

• Zatražite potrebne mehaničke proračune i dokumentaciju.

Cilj nije eliminirati svo toplinsko širenje. Treba osigurati da se izmjenjivač može prilagoditi očekivanom toplinskom pomaku i povezanim opterećenjima unutar primjenjivih ograničenja mehaničkog dizajna.

12.1 Istražite Shell-and- cijev izmjenjivač topline rješenja iz Aidear

Changzhou Aidear Refrigeration Technology Co., Ltd. isporučuje rješenja za cijevne izmjenjivače topline za industrijsko grijanje, hlađenje, hlađenje i srodne aplikacije za prijenos topline.

Različiti projekti mogu zahtijevati različite materijale cijevi, rasporede cijevnih ploča, konfiguracije ljuske i radne uvjete.

Za primjene koje uključuju značajne temperaturne razlike ili česte toplinske cikluse, odabir opreme bi trebao uključivati ​​odgovarajuću mehaničku procjenu uz izračune toplinske učinkovitosti.

Istražiti Aidear plaštno-cijevni izmjenjivači topline kako biste saznali više o dostupnim konfiguracijama proizvoda.

Prikladnost određene konstrukcije, dilatacijske spojnice, kombinacije materijala ili zahtjeva mehaničkog dizajna mora se potvrditi za svaki projekt.

12.2 Zatražite prilagođenu shell-and- cijev izmjenjivač topline ponudu

Odabirete li cijevni izmjenjivač topline za proces s visokim radnim temperaturama, značajnim temperaturnim razlikama ili čestim ciklusima pokretanja i gašenja?

Podijelite svoj toplinski rad, radne uvjete na strani školjke i cijevi, zahtjeve za materijalima i očekivane temperaturne varijacije s Aidear .

Naš tim može pregledati dostavljene informacije i razgovarati o prikladnim konfiguracijama proizvoda, ovisno o tehničkoj procjeni i dostupnosti proizvoda.

Zatražite prilagođenu ponudu — razgovarajte o svojim Shell-and- cijev izmjenjivač topline radnim uvjetima s Aidear .