Численное моделирование напряженно-деформированного состояния теплообменного аппарата с трубным пакетом
Обоснование прочности теплообменных аппаратов (ТА), с длительными сроками эксплуатации в условиях интенсивных механических нагрузок и неравномерного поля высоких температур. Численный эксперимент с использованием специализированных программных комплексов.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 29.10.2018 |
Размер файла | 426,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Численное моделирование напряженно-деформированного состояния теплообменного аппарата с трубным пакетом
В.В. Кашелкин,
В.Ю. Попов,
М.Ю. Федоров
Цель работы - обоснование прочности теплообменных аппаратов (ТА), с длительными сроками эксплуатации в условиях интенсивных механически нагрузок и неравномерного поля высоких температур. Исследуемый ТА представляет собой разветвленную конструкцию, содержащую трубный пакет. Для учета влияния на прочность и ресурс всех факторов требуется прибегать к численному эксперименту с использованием специализированных программных комплексов. В результате проведенных исследований обоснована прочность и ресурс ТА.
Прочность, теплообменный аппарат, численный эксперимент, релаксация прочность теплообменный механический
Обоснование прочности теплообменных аппаратов (ТА), с длительными сроками эксплуатации в условиях интенсивных механически нагрузок и неравномерного поля температур является весьма сложной инженерной задачей, которую необходимо решать с применением различных методов.
В случае, когда теплообменный аппарат содержит трубный пакет, для учета влияния на напряженно-деформированное состояние всех элементов разветвленной конструкции, аналитических методов будет недостаточно и требуется прибегать к численному эксперименту.
1. Описание конструкции
Конструкция ТА представляет собой набор состыкованных друг с другом цилиндрических оболочек, соединенных между собой сваркой, внутреннее пространство ТА содержит трубный пакет (ТП) - набор трубок, закрепленных на трубных досках. Трубки пакета связаны с трубными досками сваркой.
Конструкция находится под действием перепадов давления в различных полостях и под действием полей высоких температур, распределенных по определенному закону, как по длине конструкции, так и в радиальном направлении.
Все элементы конструкции ТА выполнены из стали 12Х 18Н 10Т.
2. Расчетная схема и конечно-элементная модель
На рисунке 1 приведена расчетная схема, созданная в программном комплексе КИПР. Область соединения трубок с трубной доской (на рисунке 1 увеличено), в ранних версиях расчетной модели, формировалась без учета расположенного там сварного шва так называемого "усикового типа" (тип С 10 ОСТ-5.9783-79).
На рисунке 2 приведена уточненная расчетная модель, в которой сварной шов уже учтен, однако только для центральной трубки, что определяется особенностями программного комплекса.
На рисунке 3 приведена плоская расчетная схема теплообменного аппарата. Область соединения трубок с трубной доской показана увеличено.
Объемная модель конструкции приведена на рисунке 4а, где также выделена область сварного соединения трубок и трубной доски. Т.к. конструкция осесимметричная, то для уменьшения времени счета необходимо использовать лишь ее часть, наложив граничные условия, учитывающие симметрию. Чтобы сохранить наглядность представления результатов расчет проводится для ј части конструкции. На рисунке 4б показана конечно-элементная модель.
3. Результаты расчетов
Результаты расчетов показали, что моделирование ТО без учета "усиковых" сварных швов (рисунок 1) не корректно т.к. результаты расчета с использованием схемы, учитывающей наличие сварного шва (рисунок 2), показали возникновение в сварном шве центральной трубки напряжений порядка 200 МПа.
Исследование напряженного состояния конструкции с применением МКЭ (рисунки 3 - 5) при моделировании сварных швов каждой из трубок показал, что наибольшие напряжения порядка 215 МПа (рисунок_5а) в конструкции возникают в сварных швах внешнего ряда трубок. Это говорит о корректности применения комплекса КИПР только для исследования НДС основной конструкции корпуса теплообменного аппарата.
Высокие напряжения 210 МПа, превышающие значения предела длительной прочности МПа, возникают в линзовом компенсаторе температурных перемещений, установленном между наружным корпусом и трубным пакетом теплообменного аппарата - рисунок 5б. В силу этого для обоснования прочности и ресурса конструкции потребовалось исследование релаксации напряжений.
Рисунок 1 - Расчетная схема корпуса теплообменного аппарата
Рисунок 2 - Расчетная схема корпуса теплообменного аппарата
Рисунок 3 - Расчетная схема половины корпуса теплообменного аппарата
4. Результаты расчетных исследований релаксации
Для расчета процесса релаксации использовано уравнение установившейся ползучести в форме, предложенной С.А. Шестериковым и М.А. Юмашевой [4]:
(1)
ЗначениеМПа было выбрано по [1].
Коэффициенты A= и n= получены в результате обработки результатов испытаний на ползучесть стали 12Х 18Н 10Т.
На основе соотношения (1) получено уравнение релаксации:
(2)
Уравнение (2) для категории нормальных напряжений используется для построения кривой релаксации.
Подставив в уравнение (2) приведенные выше константы можно получить решение для напряжений, возникающих в наиболее нагуженных зонах конструкции. Для начальной величины напряжений у = 215 МПа кривая релаксации представлена на рисунке 6.
Из рисунка 6 видно, что напряжения релаксируют до значения, не превышающего предел длительной прочности МПа за время менее 1000 часов.
Заключение
В результате численных экспериментов с использованием МКЭ, было выявлено, что наиболее нагруженными с точки зрения длительной прочности, является компенсатор температурных перемещений, установленный между наружным корпусом и трубным пакетом теплообменного аппарата, а также сварные швы внешнего ряда трубок.
Полученное уравнение релаксации и построенные кривые релаксации, позволили показать, что напряжения в конструкции релаксируют в течение сравнительно короткого времени до допустимых значений. Таким образом, длительная прочность конструкции и ее ресурс обеспечены.
Список литературы
1. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002-86) /Госатомнадзор СССР. -М.: Энергоатомиздат,1989.-525 с - (Правила и нормы в атомной энергетике).
2. Метод конечных элементов в технике / О.Зенкевич - перевод с английского под ред. Б.Е. Победри, издательство "Мир", Москва, 1975.
3. Применение метода конечных элементов / Л.Сегерлинд, перевод с англ. А.А. Шестакова, под ред. Б.Е. Победри, издательство "Мир", Москва, 1979.
4. Конкретизация уравнения состояния в теории ползучести / Шестериков С.А., Юмашева М.А., // Механика твердого тела. 1984, №1, с.86-91.
5. Исследования работоспособности механизма сброса стержня безопасности космической ядерной энергетической установки в условиях высокотемпературной ползучести. "Методы и программное обеспечение расчетов на прочность" 7-я российская конференция (8-12 октября 2012 г.; Геленджик): сборник докладов. - М.: ОАО "НИКИЭТ", 2013. - 232 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Теплофизические свойства теплоносителей. Предварительное определение водного эквивалента поверхности нагрева и размеров аппарата. Конструктивные характеристики теплообменного аппарата. Определение средней разности температур и коэффициента теплопередачи.
курсовая работа [413,5 K], добавлен 19.10.2015Общая характеристика теплообменных аппаратов и их применение в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Конструктивный, проверочный и гидравлический расчет теплообменного аппарата, построение температурной диаграммы.
курсовая работа [663,7 K], добавлен 10.10.2011Применение и классификация теплообменных аппаратов. Принцип работы кожухотрубного теплообменного аппарата. Необходимость проведения гидравлического, конструктивного и проверочного тепловых расчетов. Построение температурной диаграммы теплоносителей.
курсовая работа [364,5 K], добавлен 23.11.2012Моделирование статических нерасчетных режимов теплообменных аппаратов. Расчет статических характеристик ступени охлаждения. Моделирование движения реального рабочего вещества во вращающихся каналах. Расчет рекуперативного теплообменного аппарата.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 01.03.2015Классификация теплообменных аппаратов. Конструктивный тепловой расчет. Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу, действительные температуры теплоносителей. Шестиходовой кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками.
курсовая работа [873,5 K], добавлен 11.03.2013Рассматриваются особенности расчета напряженно-деформированного состояния воздухоопорной оболочки методами теории открытых систем (OST) и методами безмоментной теории оболочек (MTS). Сравнение результатов данных расчетов с экспериментальными данными.
контрольная работа [849,2 K], добавлен 31.05.2012Применение теплообменных аппаратов, принцип их действия. Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками, линзовым компенсатором на кожухе, плавающей головкой и U-образными трубами. Конструктивный и проверочный тепловой расчет аппарата.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 22.08.2015Основные уравнения динамики элементов данной криогенной системы. Моделирование основных динамических режимов в теплообменных и парогенерирующих элементах КГС. Динамические характеристики нижней ступени охлаждения рекуперативного теплообменного аппарата.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 01.03.2015Классификация теплообменных аппаратов (ТОА), требования к ним. Выбор схемы движения теплоносителей при расчете устройства, определение их теплофизических свойств. Коэффициент теплоотдачи в ТОА, уточнение температуры стенки и конструктивный расчет.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 17.11.2013Конструкция и принцип работы подогревателя сетевой воды. Теплопередача при конденсации и движении жидкости по трубам. Оценка прочности крышки теплообменника. Тепловой, гидравлический и прочностной расчет параметров рекуперативного теплообменного аппарата.
курсовая работа [186,8 K], добавлен 02.10.2015Рассмотрение классификации (чугунный, стальной), основных повреждений, причин расслоения пароводяной смеси в экономайзере. Ознакомление с требованиями в конструкции, возможностями, параметрами и сроками безопасной эксплуатации теплообменных аппаратов.
реферат [1,1 M], добавлен 18.04.2010Классификация теплообменных аппаратов в зависимости от расположения теплообменных труб, перегородок в распределительной камере и задней крышке, продольных перегородок, установленных в межтрубном пространстве. Двухходовой кожухотрубчатый теплообменник.
курсовая работа [194,2 K], добавлен 27.12.2015Классификация перенапряжений в электроустановках. Распространение электромагнитных волн в линиях электропередач. Регулирование электрического поля с помощью конденсаторных обкладок. Меры повышения надежности изоляции в условиях интенсивных загрязнений.
контрольная работа [799,9 K], добавлен 19.02.2012Расчет температурного поля предельного состояния при движении подвижного точечного источника тепла в полубесконечном теле. Сравнение температур в период теплонасыщения и предельного поля. Термический цикл точки, распределение максимальных температур.
курсовая работа [304,9 K], добавлен 18.01.2015Расчет напряженно-деформированного состояния ортотропного покрытия на упругом основании. Распределение напряжений и перемещений в ортотропной полосе на жестком основании. Приближенный расчет напряженного состояния покрытия из композиционного материала.
курсовая работа [3,3 M], добавлен 13.12.2016Классификация теплообменных аппаратов по принципу действия (поверхностные и смесительные). Особенности подбора устройства. Схема кожухотрубного теплообменника. Основные удельные показатели, которые характеризуют эффективность теплообменных аппаратов.
презентация [206,5 K], добавлен 28.09.2013Расчет температур поверхности кожуха аппарата прямоугольной формы; нагретой зоны герметичного блока; аппарата с внутренней принудительной циркуляцией воздуха; теплового режима аппаратов кассетной конструкции групп А и Б и с принудительной вентиляцией.
практическая работа [223,8 K], добавлен 06.08.2013Установление методами численного моделирования зависимости температуры в точке контакта от угла метания пластины при сварке взрывом. Получение мелкозернистой структуры и расчет параметров пластины с применением программного расчетного комплекса AUTODYN.
дипломная работа [6,2 M], добавлен 17.03.2014Разделение теплопереноса на теплопроводность, конвекцию и излучение. Суммарный коэффициент теплоотдачи. Определение лучистого теплового потока. Теплопередача через плоскую стенку. Типы теплообменных аппаратов. Уравнение теплового баланса и теплопередачи.
реферат [951,0 K], добавлен 27.01.2012Термодинамические процессы с идеальными углеводородными смесями. Параметры газовой смеси, одинаковой для всех термодинамических процессов. Исходные данные для конструктивного теплового расчета теплообменного аппарата, выбор его типа, формы и размера.
реферат [655,7 K], добавлен 24.11.2012