Co powoduje naprężenie termiczne w powłoce i- rura wymiennik ciepła s?

Wymienniki ciepła płaszczowo-rurowe są szeroko stosowane w chłodnictwie przemysłowym, przetwórstwie chemicznym, wytwarzaniu energii, chłodnictwie i systemach odzyskiwania ciepła. Przenoszą ciepło pomiędzy dwoma płynami, zachowując separację między obwodami po stronie płaszcza i po stronie rury.

Jednakże przenoszenie ciepła powoduje również rozszerzanie się i kurczenie metalowych elementów wewnątrz wymiennika.

Kiedy płaszcz, rury, arkusze rur lub inne połączone elementy doświadczają różnych temperatur, mogą próbować rozszerzyć się w różnym stopniu. Jeśli ich ruch jest ograniczony, mogą wystąpić naprężenia mechaniczne.

Naprężenia te są szczególnie istotne w wymiennikach ciepła z rurami stałymi, gdzie rury i płaszcz są strukturalnie połączone na obu końcach.

Powtarzające się zmiany temperatury, szybkie uruchamianie, nagłe wyłączanie i nieprawidłowe warunki pracy mogą powodować dodatkowe obciążenie termiczne.

Z biegiem czasu nadmierne naprężenia termiczne mogą przyczynić się do nieszczelności złącza rura-blacha, deformacji, pęknięć zmęczeniowych lub innych uszkodzeń mechanicznych.

Naprężenie termiczne nie jest określane wyłącznie na podstawie temperatury roboczej. Zależy to od rozkładu temperatury, właściwości materiału, utwierdzeń konstrukcyjnych i sposobu, w jaki warunki pracy zmieniają się w czasie.

W tym przewodniku wyjaśniono, co powoduje naprężenia termiczne w wymiennikach płaszczowo-rurowych, gdzie może wystąpić uszkodzenie, w jaki sposób różne konstrukcje wymienników radzą sobie z rozszerzalnością cieplną oraz co inżynierowie i nabywcy przemysłowi powinni sprawdzić przed wyborem sprzętu.

1. Co to jest naprężenie termiczne w powłoce i- rura wymiennik ciepła ?

1.1 Zrozumienie rozszerzalności cieplnej

Większość materiałów metalicznych rozszerza się pod wpływem ogrzewania i kurczy się po ochłodzeniu.

Aby uzyskać równomierną zmianę temperatury, swobodną rozszerzalność cieplną prostego elementu można przybliżyć wzorem:

ΔL = α × L × ΔT

Gdzie:

• ΔL = Zmiana długości

• α = współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej

• L = długość oryginalna

• ΔT = Zmiana temperatury materiału

Zależność ta opisuje zmianę długości, która wystąpiłaby, gdyby komponent mógł się swobodnie rozszerzać.

Sam w sobie nie oblicza naprężeń w kompletnym wymienniku ciepła.

1.2 Jak rozszerzalność cieplna staje się naprężeniem termicznym

Rozszerzalność cieplna nie powoduje automatycznie nadmiernych naprężeń mechanicznych.

Jeśli komponent metalowy może się swobodnie rozszerzać, jego wymiary mogą się zmieniać bez generowania takich samych naprężeń utwierdzających jak w przypadku połączenia stałego.

Naprężenia termiczne powstają, gdy zapobiega się odkształceniom termicznym, są one częściowo ograniczane lub stają się niekompatybilne z ruchem połączonych elementów.

W płaszczowo-rurowym wymienniku ciepła płaszcz, rury i arkusze rurowe tworzą wzajemnie połączoną strukturę mechaniczną.

Kiedy te elementy próbują się rozszerzać lub kurczyć w różny sposób, na ich połączeniach mogą powstawać siły i momenty.

1.2.1 Odkształcenie termiczne a naprężenie termiczne

Odkształcenie termiczne opisuje odkształcenie związane ze zmianą temperatury.

Naprężenie termiczne opisuje wewnętrzną reakcję mechaniczną, gdy odkształcenie jest ograniczone.

Element może ulegać znacznej rozszerzalności cieplnej bez nadmiernych naprężeń, jeśli jego ruch jest odpowiednio dostosowany.

I odwrotnie, stosunkowo niewielki ruch różnicowy może wytworzyć znaczne lokalne naprężenia w sztywnym, silnie utwierdzonym zespole.

1.2.1.1 Dlaczego mały ruch może mieć znaczenie

Podczas zmian temperatury rura może rozszerzyć się jedynie o kilka milimetrów.

Jeżeli oba końce są ograniczone przez nieruchome arkusze rur, to rozszerzanie nie może nastąpić niezależnie od otaczającej konstrukcji.

Powstałe siły zależą od sztywności i geometrii rury, płaszcza, blachy rury i połączeń.

Dlatego ocena dopuszczalnego mikropędu jest kluczowym aspektem konstrukcji mechanicznej.

1.3 Naprężenie termiczne różni się od naprężenia ciśnieniowego

Naprężenie ciśnieniowe i naprężenie termiczne mają różne przyczyny fizyczne.

Naprężenia ciśnieniowe powstają w wyniku działania ciśnień wewnętrznych lub zewnętrznych na granice ciśnień wymiennika ciepła.

Naprężenia termiczne są spowodowane odkształceniami i ograniczeniami zależnymi od temperatury.

Jedno i drugie może współistnieć.

Wymiennik ciepła może spełniać wymagania projektowe dotyczące ciśnienia, ale wpływ rozszerzalności cieplnej i temperatury przejściowej nadal należy oceniać oddzielnie.

Ostateczny projekt mechaniczny musi uwzględniać wszystkie mające zastosowanie kombinacje obciążeń.

Wprowadzenie do głównych składników można znaleźć w artykule Aidear płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła Wyjaśnienie zasady działania.

2. Co powoduje naprężenie termiczne w powłoce i- rura wymiennik ciepła s?

2.1 Różne temperatury metalu po stronie powłoki i rura

Jedną z głównych przyczyn naprężeń termicznych jest różnica temperatur płaszcza i wiązki rur.

Na przykład gorący płyn procesowy może krążyć w rurach, podczas gdy chłodniejszy płyn przepływa przez płaszcz.

Rury i płaszcz mogą wówczas doświadczać różnych średnich temperatur metalu.

W rezultacie próbują rozwijać się w różnych ilościach.

W konstrukcjach z nieruchomymi arkuszami rurowymi ta zróżnicowana rozszerzalność cieplna jest ograniczona przez połączenia pomiędzy płaszczem, rurami i arkuszami rurowymi.

Powstałe siły mechaniczne należy ocenić podczas projektowania.

2.2 Różne współczynniki rozszerzalności cieplnej

Różne materiały mogą mieć różne współczynniki rozszerzalności cieplnej.

Na przykład stal nierdzewna i stal węglowa mogą rozszerzać się z różną szybkością przy tej samej zmianie temperatury.

Jeżeli do tego samego wymiennika ciepła podłączone są różne stopy, ich ruchy termiczne mogą się nie zgadzać, nawet jeśli zmiany temperatury są podobne.

Dlatego przy wyborze materiału należy wziąć pod uwagę coś więcej niż tylko odporność na korozję i przewodność cieplną.

Równie ważny jest współczynnik rozszerzalności cieplnej, właściwości sprężyste, dopuszczalne naprężenia i zakres temperatur pracy.

2.3 Szybkie uruchamianie i wyłączanie

Podczas uruchamiania niektóre elementy wymiennika mogą nagrzewać się znacznie szybciej niż inne.

Na przykład gorący płyn wpływający do wcześniej zimnego wymiennika może szybko podnieść temperaturę obszaru wlotowego i sąsiednich rur.

W międzyczasie płaszcz, odległe arkusze rur i elementy wsporcze mogą pozostać chłodniejsze.

Ta tymczasowa nierównowaga temperatur może powodować lokalne naprężenia termiczne.

Podczas wyłączania te same komponenty mogą schładzać się z różną szybkością.

2.3.1 Dlaczego naprężenie przejściowe może przekroczyć naprężenie w stanie ustalonym

Gdy wymiennik ciepła osiągnie stabilny stan pracy, rozkład temperatury metalu staje się bardziej równomierny lub wykazuje przewidywalny wzór.

Jednak podczas uruchamiania pole temperatury nadal się zmienia.

Niektóre komponenty mogą chwilowo doświadczać dużych różnic temperatur lub rozszerzania się.

Dlatego też największe naprężenia mechaniczne mogą wystąpić zanim wymiennik ciepła osiągnie normalne warunki pracy.

2.3.1.1 Dlaczego same temperatury projektowe mogą być niewystarczające

Kupujący może określić jedynie normalne temperatury płynu na wlocie i wylocie.

Wartości te są pomocne przy doborze termodynamicznym, ale mogą nie opisywać najbardziej wymagających warunków mechanicznych.

W przypadku zastosowań obejmujących szybkie nagrzewanie lub chłodzenie dostawca może również wymagać temperatury początkowej, szybkości zmian temperatury, kolejności działania i innych warunków przejściowych.

2.4 Nierównomierny rozkład temperatury wewnątrz wymiennika

Naprężenie termiczne może również wystąpić, gdy różne obszary tego samego elementu działają w różnych temperaturach.

Potencjalne przyczyny obejmują:

• Nierównomierny rozkład przepływu po stronie płaszcza

• Nierównomierny przepływ po stronie rury

• Miejscowe zanieczyszczanie

• rura blokada

• Nierówne ogrzewanie lub chłodzenie

• Niekorzystne wzorce przepływu na wlocie

Warunki te mogą powodować powstawanie lokalnych gorących punktów lub zimnych regionów.

Powstałe gradienty termiczne mogą powodować zginanie, odkształcenia i lokalną koncentrację naprężeń.

2.5 Powtarzające się cykle termiczne

Niektóre procesy przemysłowe działają w sposób ciągły w stosunkowo stabilnych warunkach.

Inne wymagają częstych cykli uruchamiania, wyłączania, ogrzewania lub chłodzenia.

Powtarzające się zmiany temperatury powodują powtarzające się odkształcenia mechaniczne.

Jeżeli powstałe zakresy naprężeń lub odkształceń są wystarczająco duże, z czasem mogą kumulować się uszkodzenia zmęczeniowe.

Jest to powszechnie określane jako zmęczenie cieplne.

Ryzyko zależy od cykli temperaturowych, właściwości materiału, geometrii, koncentracji naprężeń i historii eksploatacji.

2.6 Nienormalne warunki procesu

Nietypowe zdarzenia operacyjne mogą spowodować powstanie rozkładu temperatury znacznie różniącego się od normalnego działania.

Przykłady obejmują:

• Utrata przepływu po stronie rury

• Utrata przepływu po stronie płaszcza

• Nagła przerwa w dopływie wody chłodzącej

• Czyszczenie parowe lub odparowywanie

• Szybkie zamknięcie procesu

• Nieoczekiwane wprowadzenie gorącego płynu

• Szybkie zmiany w obciążeniu cieplnym

Warunki te mogą wymagać dodatkowej analizy termomechanicznej.

Konstrukcja odpowiednia do pracy ciągłej nie jest automatycznie odpowiednia dla każdego stanu krytycznego.

3. Gdzie we wnętrzu wymiennika powstają naprężenia termiczne?

3.1 Połączenia arkusza i powłoki rura

Arkusz rurowy oddziela płyn po stronie płaszcza od płynu po stronie rury i podtrzymuje wiązkę rur.

W wymienniku ciepła z rurami stacjonarnymi oba arkusze rurowe są połączone z płaszczem, a wiązka rur jest zamocowana pomiędzy dwoma arkuszami rurowymi.

Układ ten ogranicza różnicową ekspansję.

Powstałe obciążenia mechaniczne mogą prowadzić do zginania arkusza rurowego, naprężeń osiowych na rurach i naprężeń na połączeniu płaszcz-rura.

3.2 Połączenia arkuszowe rura -do- rura

Połączenia rura -z blachą rurową muszą zapewniać wymagane połączenie mechaniczne i separację cieczy.

W połączeniach tych można zastosować spawanie, rozszerzanie mechaniczne lub odpowiednią kombinację, w zależności od projektu.

Powtarzający się ruch różnicowy lub nadmierne obciążenie mechaniczne mogą wpływać na integralność stawu.

Potencjalne konsekwencje obejmują wyciek, lokalne odkształcenie lub uszkodzenie połączenia.

Jednakże wyciek nie jest dowodem samego naprężenia termicznego.

Korozja, wibracje, wady produkcyjne i inne mechanizmy mogą powodować podobne objawy.

3.3 rura Regiony wiązek i zagięć w kształcie litery U

Rury mogą być poddawane obciążeniom osiowym, zginaniu lub miejscowym gradientom temperatury.

W wymiennikach ciepła z rurką w kształcie litery U wygięta rura zapewnia elastyczność, aby dostosować się do osiowej rozszerzalności cieplnej.

Jednakże obszar zagięcia w kształcie litery U nie jest całkowicie odporny na naprężenia mechaniczne.

Powtarzające się cykle termiczne, zlokalizowane różnice temperatur, wibracje wywołane przepływem i inne warunki obciążenia nadal wymagają oceny.

3.4 Skorupa, spoiny i dysze

Naprężenia termiczne nie ograniczają się do wiązki rur.

Powłoka może doświadczać gradientów termicznych wzdłuż swojej długości lub grubości ścianki.

Połączenia spawane i króćce mogą również podlegać lokalnym naprężeniom spowodowanym odkształceniami termicznymi i zewnętrznym utwierdzeniem rur.

3.4.1 Dlaczego należy uwzględnić obciążenia rurociągów

Jeżeli podłączone orurowanie ogranicza ruch wymiennika lub przenosi nadmierne siły i momenty na jego króćce, obciążenie mechaniczne może wzrosnąć.

Efekt zależy od rozmieszczenia podpór, elastyczności rurociągów, rozszerzalności cieplnej podłączonego systemu i konstrukcji wymiennika.

3.4.1.1 wymiennik ciepła Rozszerzanie i rozszerzanie rurociągu to różne kontrole projektu

Wewnętrzne wiązki rur i zewnętrzne systemy rur mogą mieć różne wymagania dotyczące rozszerzalności i skurczu cieplnego.

Nawet w przypadku konstrukcji z kompensacją rozszerzalności wewnętrznej wymiennik ciepła może w dalszym ciągu podlegać nadmiernym zewnętrznym obciążeniom dyszy.

Jeśli to konieczne, należy skoordynować konstrukcję mechaniczną wymiennika ciepła i analizę elastyczności rurociągu.

4. Dlaczego blachy nieruchome rura wymiennik ciepła są wrażliwe na naprężenia termiczne?

4.1 Jak naprawiono - konstrukcja arkusza rura ogranicza ekspansję

Wymiennik z rurami stałymi wykorzystuje proste rury połączone pomiędzy dwoma arkuszami rur, przy czym arkusze rur są przymocowane do płaszcza.

Stałe połączenia ograniczają niezależny ruch osiowy pomiędzy wiązką rur i płaszczem.

Jeśli rury i płaszcz będą próbowały rozszerzyć się w różnym stopniu, w systemie konstrukcyjnym powstają siły utrzymujące zgodność odkształceń.

Z tego powodu zróżnicowana rozszerzalność cieplna jest istotnym czynnikiem projektowym w przypadku konstrukcji z blachy o stałych rurach.

4.2 Dlaczego wymienniki o stałym arkuszu rura są nadal szeroko stosowane

Konstrukcje ze stałymi arkuszami rurowymi oferują praktyczne korzyści w wielu zastosowaniach przemysłowych.

W zależności od konfiguracji mogą to być:

• Stosunkowo prosta konstrukcja

• Kompaktowy układ mechaniczny

• Wygodny dostęp umożliwiający odpowiednie czyszczenie od strony rury

• Potencjalnie niższa złożoność produkcji niż w przypadku niektórych projektów z wyjmowanym pakietem

Mogą być odpowiednie, gdy akceptowalne są warunki obciążenia termicznego i mechanicznego.

Występowanie różnicy temperatur nie powoduje automatycznie, że wymiennik płytowy ze stałymi rurami jest nieodpowiedni.

4.3 Kiedy można rozważyć zastosowanie złącza dylatacyjnego

Złącze kompensacyjne płaszczowe może zapewnić dodatkową elastyczność w odpowiedniej konstrukcji z blachą o stałej rurze.

Może zmniejszyć siły związane z różnicową osiową rozszerzalnością cieplną.

Jednakże dodanie złącza dylatacyjnego wiąże się z innymi kwestiami projektowymi.

Mogą one obejmować:

• Obciążenie ciśnieniowe

• Ruch osiowy

• Zmęczone życie

• Stabilność mechaniczna

• Ograniczenia instalacyjne

• Wymagania inspekcyjne

• Ładowanie zewnętrzne

4.3.1 Dlaczego złącze dylatacyjne nie jest rozwiązaniem uniwersalnym

Złącze dylatacyjne może pomóc w kompensowaniu ruchu osiowego, ale nie rozwiązuje samodzielnie każdego problemu naprężeń termicznych.

Lokalne gradienty temperatury, naprężenia między rurami, obciążenia ciśnieniowe i inne efekty mechaniczne mogą pozostać ważne.

4.3.1.1 Co należy sprawdzić przed dodaniem złącza dylatacyjnego?

Projektanci powinni ocenić oczekiwane przemieszczenie, ciśnienie robocze, nacisk ciśnienia, wymagania zmęczeniowe, obciążenia połączeń i obowiązujące specyfikacje konstrukcji mechanicznej.

Dobór kompensatorów powinien opierać się na kompleksowej ocenie mechanicznej i nie powinien być arbitralnie dodawany tylko dlatego, że wymiennik ciepła pracuje w wysokich temperaturach.

5. Arkusz stały rura kontra U- rura czy głowica pływająca: która lepiej radzi sobie z rozszerzalnością cieplną?

5.1 Naprawiono- rura arkusz wymiennik ciepła s

Konstrukcje ze stałymi arkuszami rurowymi ograniczają zróżnicowany ruch osiowy pomiędzy płaszczem a wiązką prostych rur.

Może to powodować naprężenia termiczne, gdy komponenty doświadczają różnej rozszerzalności cieplnej.

Konstrukcja może nadal być odpowiednia, jeśli połączone naprężenia mechaniczne spełniają obowiązujące wymagania.

5,2 U- rura wymiennik ciepła s

Wymiennik rurowy w kształcie litery U wykorzystuje rury wygięte w kształt litery U, których oba końce są przymocowane do wspólnego arkusza rurowego.

Zakrzywiony układ rur umożliwia wiązce rur dostosowywanie się do ruchu termicznego w inny sposób niż w przypadku konstrukcji z rurą prostą i nieruchomym arkuszem rurowym.

Może to zmniejszyć utwierdzenie osiowe związane z różnicowym rozszerzaniem płaszcz-rura.

Jednakże U-rurki mogą stwarzać dodatkowe wyzwania w zakresie wewnętrznego czyszczenia mechanicznego i niektórych operacji konserwacyjnych.

W stosownych przypadkach należy nadal ocenić zmęczenie zginania w kształcie litery U i lokalne naprężenia termiczne.

5.3 Głowica pływająca wymiennik ciepła s

Wymienniki ciepła z głowicą pływającą umożliwiają ruch tylnego końca wiązki rur względem płaszcza.

Uwzględnia to zmiany osiowego współczynnika rozszerzalności cieplnej.

W zależności od konkretnej konstrukcji wymienniki ciepła z głowicą pływającą umożliwiają również demontaż wiązki rur w celu konserwacji.

Jednakże konstrukcja mechaniczna wymienników ciepła z pływającą głowicą jest bardziej złożona i może wymagać dodatkowych urządzeń uszczelniających i środków konserwacyjnych.

5.4 Porównanie możliwości rozszerzalności cieplnej

Prawidłowa konfiguracja zależy od temperatur roboczych, właściwości materiału, wymagań ciśnieniowych, potrzeb czyszczenia i kosztów cyklu życia.

Wymiennik typu U-rurowy lub wymiennik z głowicą pływającą może zmniejszyć określone naprężenia różnicowe i rozszerzające, ale żadna z konstrukcji nie eliminuje wszystkich mechanizmów naprężeń termicznych.

6. Przykład inżynieryjny: Jak duże może być rozszerzenie różniczkowe?

6.1 Hipotetyczne warunki wymiennik ciepła

Rozważmy przykładowy wymiennik ciepła z rurą prostą przy następujących założeniach:

Temperatury są uproszczonymi, jednolitymi średnimi dla ilustracji.

Współczynniki są przybliżone i nie powinny zastępować zależnych od temperatury właściwości materiału w projektowaniu mechanicznym.

6.2 Oblicz swobodną rozszerzalność cieplną

Dla pakietu rur:

rura Rozszerzanie = 12 × 10⁻⁶ × 4 × 100

rura Rozszerzalność = 0,0048 m = 4,8 mm

Dla powłoki:

Rozszerzenie powłoki = 12 × 10⁻⁶ × 4 × 60

Rozszerzalność powłoki = 0,00288 m = 2,88 mm

Różnica swobodnej rozszerzalności cieplnej wynosi:

Rozszerzalność różnicowa = 4,8 - 2,88 = 1,92 mm

Przy uproszczonych założeniach wiązka rur będzie próbowała rozszerzyć się o około 1,92 mm bardziej niż skorupa.

6.3 Dlaczego 1,92 mm nie określa bezpośrednio naprężenia

Obliczone przemieszczenie reprezentuje różnicę pomiędzy dwoma hipotetycznymi swobodnymi rozszerzalnościami cieplnymi.

Nie jest to mierzone odkształcenie zmontowanego wymiennika.

W konstrukcji z blachy rurowej ostateczne siły i naprężenia zależą od sztywności i geometrii całej połączonej konstrukcji.

Do ważnych czynników zalicza się liczbę rur, grubość ścianek rur, sztywność skorupy, sztywność arkusza rurowego, właściwości materiału, obciążenia ciśnieniowe i rzeczywisty rozkład temperatur.

6.3.1 Dlaczego proste obliczenia ze swobodną ekspansją są przydatne

Obliczenia te pokazują, że należy ocenić przemieszczenie różnicowe, nawet jeśli oba elementy wykorzystują ten sam materiał nominalny.

Pomaga określić znaczenie względnych zmian temperatury i efektywną długość komponentów.

Nie jest jednak w stanie określić, czy wymiennik ciepła jest bezpieczny.

6.3.1.1 Co jest potrzebne do oceny naprężeń mechanicznych?

Ocena projektu mechanicznego może wymagać:

• Rzeczywiste wymiary płaszcza i rury

• rura geometria arkusza

• Właściwości materiału zależne od temperatury

• Ciśnienia robocze i projektowe

• Średnie temperatury metali

• Różnicowa rozszerzalność cieplna

• Odpowiednie warunki utwierdzenia i wsparcia

• Wymagane przypadki obciążeń eksploatacyjnych i przejściowych

Następnie należy przeprowadzić obliczenia oparte na normach lub odpowiednią szczegółową analizę.

6.4 Co się stanie, jeśli materiały rura i powłoki będą różne?

Gdy materiały się różnią, uproszczoną różnicę w swobodnym rozszerzaniu osiowym można wyrazić jako:

Rozszerzalność różniczkowa = L × (αt × ΔTt – αs × ΔTs)

Gdzie:

• αt = rura współczynnik rozszerzalności materiału

• αs = współczynnik rozszerzalności materiału powłoki

• ΔTt = Zmiana średniej temperatury metalu rury

• ΔTs = Zmiana średniej temperatury powłoki metalu

Wyrażenie to zakłada wspólną długość odniesienia i uproszczone jednolite zmiany temperatury.

W rzeczywistych wymiennikach geometria i zmiany temperatury komponentów mogą wymagać bardziej szczegółowych obliczeń.

Równania nie należy traktować jako kompletnej oceny naprężenia arkusza rurowego lub zbiornika ciśnieniowego.

7. Jak uruchamianie, wyłączanie i cykle termiczne wpływają na zmęczenie?

7.1 Gwałtowne zmiany temperatury i szok termiczny

Szok termiczny odnosi się do skutków szybkich zmian temperatury i wynikających z nich gradientów temperatury.

Na przykład szybkie wtryskiwanie płynu o wysokiej temperaturze do niskotemperaturowego wymiennika ciepła może spowodować, że obszar wlotowy nagrzeje się znacznie szybciej niż inne elementy.

Może to spowodować znaczne, miejscowe naprężenia termiczne, zanim temperatura metalu w masie ustabilizuje się.

7.2 Powtarzające się cykle i uszkodzenia zmęczeniowe

Zmęczenie cieplne występuje, gdy powtarzające się ogrzewanie i chłodzenie generują cykliczne naprężenia lub odkształcenia.

Chociaż liczba cykli jest ważna, intensywność tych cykli jest równie istotna.

Systemy doświadczające małych, stopniowych zmian temperatury mogą zachowywać się zupełnie inaczej niż systemy doświadczające częstych, drastycznych zmian temperatury.

7.3 Specjalne zdarzenia operacyjne wymagające przeglądu

Niektóre zdarzenia mogą być bardziej wymagające niż normalna operacja produkcyjna.

Mechanizmy te wymagają oceny specyficznej dla projektu, a nie uniwersalnego limitu operacyjnego.

7.4 Jak zmniejszyć ryzyko cykli termicznych

Możliwe podejścia obejmują:

• Definiowanie kontrolowanych sekwencji uruchamiania i zamykania

• Koordynowanie wprowadzania płynów i zmian temperatury

• Przegląd częstotliwości i nasilenia cykli termicznych

• Wybór odpowiedniej mechanicznie konfiguracji wymiennika

• Monitorowanie nieprawidłowych temperatur i warunków przepływu

• Inspekcja znanych lokalizacji wrażliwych na stres

Zmiany w procedurach uruchamiania lub wyłączania powinny być sprawdzane przez wykwalifikowany personel inżynieryjny.

Odpowiednia kolejność zależy od wymagań bezpieczeństwa procesu i urządzeń ciśnieniowych.

8. Jak inżynierowie mogą oceniać i redukować naprężenia termiczne?

8.1 Przejrzyj wszystkie istotne warunki projektowe i operacyjne

Ocena termomechaniczna powinna uwzględniać więcej niż jeden normalny punkt pracy.

Wymagane warunki mogą obejmować:

• Normalna praca przy pełnym obciążeniu

• Praca przy minimalnym obciążeniu

• Uruchamianie i wyłączanie

• Maksymalna różnica temperatur

• Maksymalne i minimalne ciśnienie

• Procedury czyszczenia i parowania

• Scenariusze utraty przepływu

• Istotne warunki zakłócające proces

Najcięższy przypadek naprężenia termicznego może nie pokrywać się z maksymalnym ciśnieniem obliczeniowym lub normalną temperaturą roboczą.

8.2 Zastosuj odpowiednie zasady projektowania mechanicznego

W zależności od projektu, jurysdykcji i odpowiedniej konstrukcji sprzętu, odpowiednie referencje inżynieryjne mogą obejmować:

• ASME Kodeks kotła i zbiornika ciśnieniowego, sekcja VIII

• Część mająca zastosowanie: Przepisy UHX dotyczące arkuszy rurowych wymienników płaszczowo-rurowych

• standardy TEMA

• EN 13445 dla odpowiednich nieopalanych zbiorników ciśnieniowych

• Inne kody lub specyfikacje specyficzne dla projektu

Odniesienia te nie mają identycznych zakresów.

Kupujący i dostawca muszą uzgodnić obowiązujący kod, wydanie, podstawę projektu mechanicznego i wymagania dotyczące dokumentacji.

Użycie uznanej normy w obliczeniach nie oznacza automatycznie certyfikacji ani stemplowania kodu.

8.3 Łączne wykorzystanie analizy termicznej i strukturalnej

Analiza termiczna służy do określenia temperatury i zachowania wymiany ciepła wewnątrz wymiennika ciepła.

Analiza strukturalna służy do oceny powstałych odkształceń, sił i naprężeń.

W przypadku złożonych warunków przejściowych inżynierowie mogą zastosować obliczenia temperatury zmieniającej się w czasie i analizę elementów skończonych.

Metody te pomagają zidentyfikować zlokalizowane koncentracje naprężeń lub krytyczne warunki rozruchu.

Jednakże dokładność wyników zależy od odpowiednich warunków brzegowych, właściwości materiału, geometrii i walidacji.

8.4 Wybierz odpowiednią konfigurację mechaniczną

Potencjalne podejścia do projektowania obejmują:

• Utrzymanie konstrukcji ze stałym arkuszem rur, gdy weryfikacja mechaniczna jest zadowalająca

• W stosownych przypadkach należy rozważyć złącze dylatacyjne

• Ocena konstrukcji U-rurki

• Ocena konstrukcji z głowicą pływającą

• Dostosowanie materiałów lub szczegółów konstrukcyjnych, jeśli jest to uzasadnione

• Przegląd rozwiązań w zakresie podpór i rurociągów

• Modyfikowanie procedur operacyjnych, jeśli jest to praktyczne

Żadna metoda nie jest odpowiednia dla każdego wymiennika.

8.5 Uwzględnij planowanie inspekcji i konserwacji

W przypadku działającego sprzętu przeglądy powinny koncentrować się na lokalizacjach związanych z faktycznym mechanizmem uszkodzenia i historią eksploatacji.

Odpowiednie czynności mogą obejmować sprawdzanie szczelności, sprawdzanie połączeń blachy rurowej, badanie dostępnych spoin, przeglądanie trendów operacyjnych i, jeśli to konieczne, przeprowadzanie odpowiednich badań nieniszczących (NDT).

Wykonalne techniki kontroli zależą od konstrukcji wymiennika ciepła, materiałów, dostępności i podejrzeń uszkodzeń.

Należy zbadać przypadkowe wycieki, a nie po prostu przypisywać je naprężeniom termicznym.

9. Jakie są znaki ostrzegawcze uszkodzeń spowodowanych stresem cieplnym?

9.1 rura -do- rura arkusza Wyciek

Wyciek w pobliżu połączeń rura-blacha może wskazywać na utratę integralności połączenia.

Obciążenie termiczne może być jednym z możliwych czynników.

Należy jednak wziąć pod uwagę również inne mechanizmy, w tym korozję, wibracje, erozję i wady produkcyjne.

9.2 Pękanie w pobliżu połączeń spawanych

Pęknięcia mogą pojawić się w miejscach narażonych na duże, powtarzalne naprężenia.

Specjalnej uwagi mogą wymagać występy spoin, nieciągłości geometryczne i inne obszary koncentracji naprężeń.

Sama obecność pęknięcia nie wystarczy, aby określić jego przyczynę; konieczne jest odpowiednie dochodzenie.

9,3 Odkształcenie blachy rura lub rura

Nieoczekiwane odkształcenie może wskazywać, że obciążenia mechaniczne przekroczyły zamierzone zachowanie konstrukcji.

Potencjalne czynniki obejmują różnicową rozszerzalność cieplną, obciążenie ciśnieniem, siły zewnętrzne lub kombinacje tych efektów.

9.4 Powtarzające się awarie po uruchomieniu lub wyłączeniu

Jeśli po uruchomieniu, wyłączeniu lub innych określonych zdarzeniach operacyjnych wystąpią ponownie nieszczelności lub uszkodzenia, czas wystąpienia tych zdarzeń może dostarczyć przydatnych informacji diagnostycznych.

Operatorzy powinni prowadzić rejestry temperatury, ciśnienia i natężenia przepływu przed i po tych zdarzeniach.

Badanie usterek powinno porównywać rzeczywiste warunki pracy z założeniami projektu mechanicznego.

9.5 Jak odróżnić uszkodzenie termiczne od innych problemów

Przed wyborem naprawy lub modyfikacji projektu wymagana jest kwalifikowana analiza awarii.

10. Co powinni określić kupujący, aby zmniejszyć ryzyko stresu termicznego?

10.1 Podaj pełne termiczne dane operacyjne

Dostawca powinien otrzymać warunki pracy zarówno po stronie płaszcza, jak i rury.

Dane powinny być spójne z całym projektem procesu.

10.2 Opisać stany przejściowe i nietypowe

Aby uzyskać miarodajny przegląd naprężeń termicznych, kupujący powinni również określić:

• Czy wymiennik uruchamia się zimny, czy już ciepły

• Oczekiwane szybkości ogrzewania i chłodzenia

• Częstotliwość normalnego uruchamiania i wyłączania

• Możliwość nagłej utraty przepływu

• Czyszczenie parą lub inne specjalne operacje czyszczenia

• Awaryjne scenariusze działania

• Oczekiwany czas eksploatacji i cykle termiczne

• Odpowiednie rozwiązania w zakresie kontroli i ochrony

Jeżeli dokładne dane dotyczące temperatury przejściowej nie są dostępne, dostawca powinien określić założenia wymagające potwierdzenia.

10.3 Potwierdź projekt mechaniczny i zakres dokumentacji

Kupujący powinni zapytać dostawcę, czy proponowany wymiennik wymaga szczegółowej oceny różnicowej rozszerzalności cieplnej lub zmęczenia.

W zależności od projektu propozycja techniczna może wymagać określenia:

• Proponowana konstrukcja wymiennika

• Gatunki materiałów płaszcza i rurki

• Obowiązujący kod projektu i wydanie

• Odpowiednie przypadki projektowe i operacyjne

• Wymagania dotyczące projektu mechanicznego arkusza rura

• Wymagania dotyczące złącz dylatacyjnych, jeśli mają zastosowanie

• Dysza zewnętrzna i obciążenia podporowe

• Wymagane przeglądy i testy

• Wymagania dotyczące dokumentacji rysunkowej i obliczeniowej

Dostępność szczegółowych obliczeń należy uzgodnić w ramach zakresu techniczno-handlowego.

10.4 Lista kontrolna zapytania ofertowego dotyczącego naprężeń termicznych gotowych do użycia

Zastosowanie projektu: Przemysłowe chłodzenie / Przetwórstwo chemiczne / Odzysk ciepła / Inne

wymiennik ciepła Typ: Stały rura arkusz / U- rura / Głowica pływająca / Rekomendacja dostawcy

Obciążenie cieplne: [ kW ]

Płyn po stronie powłoki: [Określ]

rura – Płyn boczny: [Określ]

Temperatury na wlocie i wylocie po stronie płaszcza: [ °C ]

rura - Temperatury na wlocie i wylocie z boku: [ °C ]

Natężenie przepływu po stronie płaszcza: [Określ]

rura -Natężenie przepływu bocznego: [Określ]

Ciśnienia robocze i projektowe: [obie strony]

Maksymalna i minimalna temperatura płynu: [obie strony]

Oczekiwana częstotliwość uruchamiania i wyłączania: [Określ]

Ogrzewanie i stawki chłodzenie : [Jeśli są znane]

Nienormalne scenariusze operacyjne: [Określ]

Wymagania dotyczące czyszczenia parowego lub termicznego: [Jeśli dotyczy]

Wymagania dotyczące powłoki i rura materiałowych: [Określ/Poproś o rekomendację]

Obowiązujący kod projektu: [Określ]

Oczekiwana żywotność sprzętu i cykle termiczne: [Określ]

Wymagana analiza mechaniczna: [Określ/poproś o zalecenie]

Wymagania dotyczące obciążenia rurociągów i dysz: [Określ]

Wymagania dotyczące instalacji i konserwacji: [Określ]

Wymagane dokumenty techniczne: [Określ]

Ilość i miejsce dostawy: [Określ]

Producent powinien określić założenia i pozostałe informacje przed sfinalizowaniem projektu mechanicznego.

11. Często zadawane pytania dotyczące powłoki i naprężenia rura

11.1 Jaka jest główna przyczyna naprężeń termicznych w powłoce i- rura wymiennik ciepła ?

Głównym powodem jest to, że różnica współczynników rozszerzalności cieplnej elementów łączących podczas pracy w różnych temperaturach metalu jest tłumiona.

Inne ważne przyczyny to szybkie zmiany temperatury, lokalne gradienty termiczne, różnice materiałowe i powtarzające się cykle termiczne.

11.2 Czy większa różnica temperatur zawsze oznacza większe obciążenie termiczne?

Nie koniecznie.

Naprężenia zależą również od utwierdzeń konstrukcyjnych, sztywności komponentów, właściwości materiału, lokalnego rozkładu temperatur i historii eksploatacji.

Elastyczna konstrukcja może skuteczniej kompensować znaczną różnicę temperatur niż konstrukcja o dużej powściągliwości.

11.3 Dlaczego wymienniki stało rura są bardziej wrażliwe na rozszerzanie różnicowe?

Ich rury i płaszcze są połączone stałymi arkuszami rur na obu końcach.

Ogranicza to ich zdolność do niezależnego rozszerzania się, a gdy współczynniki rozszerzalności cieplnej płaszcza i wiązek rur różnią się, powstają siły osiowe i naprężenia blachy sitowej.

11.4 Czy U- rura wymiennik ciepła może wyeliminować naprężenia termiczne?

NIE.

Konstrukcja typu U-bend kompensuje pewne osiowe ruchy termiczne, ale lokalne gradienty temperatury, obciążenie typu U, zmęczenie, naprężenia ciśnieniowe i inne efekty mechaniczne nadal wymagają uwzględnienia.

11.5 Czy złącze dylatacyjne zapobiega wszelkim uszkodzeniom naprężeniowym termicznym?

NIE.

Prawidłowo zaprojektowane złącze dylatacyjne może zmniejszyć określone obciążenia różnicowe, ale wiąże się to z własnymi wymaganiami dotyczącymi ciśnienia, ruchu, zmęczenia i konstrukcji mechanicznej.

Nie eliminuje to wszystkich mechanizmów naprężeń termicznych.

11.6 Czy naprężenia termiczne mogą powodować rura wycieki?

Tak.

Nadmierne obciążenie termiczne może przyczynić się do uszkodzenia lub utraty integralności połączeń rura-arkusz.

Jednakże wyciek może mieć kilka innych przyczyn i konieczne jest odpowiednie badanie awarii.

11.7 Czy w projekcie mechanicznym należy uwzględnić rozruch i wyłączenie?

Tak, jeśli te warunki powodują odpowiednie obciążenie termiczne lub mechaniczne.

Praca przejściowa może generować poziomy naprężeń, które nie są reprezentowane przez normalne warunki stanu ustalonego.

Wymagana analiza zależy od konstrukcji wymiennika, warunków procesu i obowiązujących zasad projektowania.

11.8 Jakie informacje powinni podać kupujący przed złożeniem zapytania o wycenę?

Kupujący powinni podać temperatury płynów, natężenia przepływu, ciśnienia robocze i projektowe, wymagania materiałowe, warunki rozruchu i wyłączania, oczekiwania dotyczące cykli cieplnych oraz wszelkie nietypowe scenariusze działania.

Pozwala to dostawcy określić, które kontrole mechaniczne są odpowiednie.

12. Wniosek: Naprężenie termiczne należy ocenić w ramach projektu wymiennik ciepła

Naprężenia termiczne są ważnym czynnikiem mechanicznym przy projektowaniu wymienników płaszczowo-rurowych, szczególnie gdy wiązka płaszczowo-rurowa podlega różnym temperaturom lub powtarzającym się zmianom operacyjnym.

Do jego głównych przyczyn zalicza się zróżnicowaną rozszerzalność cieplną, utwierdzenia strukturalne, szybkie zmiany temperatury, lokalne gradienty temperatury i cykle termiczne.

Konsekwencje mogą mieć wpływ na arkusze rurowe, połączenia rurowe z arkuszami rurowymi, połączenia spawane i inne elementy mechaniczne.

Wymienniki płytowe nieruchome wymagają szczególnej uwagi, ponieważ płaszcz i rury proste nie mogą rozszerzać się niezależnie.

U-rurki i układy z pływającą głowicą zapewniają alternatywne sposoby uwzględnienia ruchu różnicowego, chociaż wprowadzają również własne względy projektowe i konserwacyjne.

Dla inżynierów i odbiorców przemysłowych kluczowymi działaniami są:

• Zdefiniuj zarówno normalną, jak i nienormalną temperaturę pracy.

• Ocenić względną rozszerzalność cieplną podłączonych komponentów.

• Rozważ uruchomienie, wyłączenie i powtarzające się cykle termiczne.

• Wybierz odpowiednią konstrukcję wymiennika.

• Zastosuj odpowiednie wymagania dotyczące projektu mechanicznego.

• W stosownych przypadkach należy dokonać przeglądu złącz kompensacyjnych, podpór i zewnętrznych obciążeń rurociągów.

• Poproś o niezbędne obliczenia mechaniczne i dokumentację.

Celem nie jest wyeliminowanie całej rozszerzalności cieplnej. Ma to na celu zapewnienie, że wymiennik będzie w stanie dostosować się do oczekiwanego ruchu termicznego i związanych z nim obciążeń w ramach mających zastosowanie ograniczeń konstrukcyjnych mechanicznych.

12.1 Poznaj rozwiązania Shell i- rura wymiennik ciepła firmy Aidear

Changzhou Aidear Refrigeration Technology Co., Ltd. dostarcza rozwiązania w zakresie płaszczowo-rurowych wymienników ciepła do przemysłowych zastosowań grzewczych, chłodniczych, chłodniczych i pokrewnych zastosowań związanych z przenoszeniem ciepła.

Różne projekty mogą wymagać różnych materiałów rur, układu arkuszy rur, konfiguracji płaszcza i warunków pracy.

W przypadku zastosowań obejmujących znaczne różnice temperatur lub częste cykle termiczne, wybór sprzętu powinien uwzględniać odpowiednią ocenę mechaniczną oprócz obliczeń wydajności cieplnej.

Badać Aidear płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła , aby dowiedzieć się więcej o dostępnych konfiguracjach produktów.

Dla każdego projektu należy potwierdzić przydatność konkretnej konstrukcji, złącza dylatacyjnego, kombinacji materiałów lub wymagań dotyczących konstrukcji mechanicznej.

12.2 Poproś o wycenę niestandardowej powłoki i- rura wymiennik ciepła

Czy wybierasz płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła do procesu o wysokich temperaturach roboczych, znacznych różnicach temperatur lub częstych cyklach uruchamiania i wyłączania?

Podziel się z Aidear informacjami o obciążeniu cieplnym, warunkach pracy po stronie płaszcza i rury, wymaganiach materiałowych i oczekiwanych wahaniach temperatury.

Nasz zespół może przejrzeć dostarczone informacje i omówić odpowiednie konfiguracje produktu, z zastrzeżeniem oceny technicznej i dostępności produktu.

Poproś o niestandardową wycenę — omów warunki pracy firmy Shell i rura wymiennik ciepła z firmą Aidear .