УМП к лабораторным и СРО КИР. Учебнометодическое пособие по выполнению лабораторных работ и самостоятельной работе обучающихся Стерлитамак 2018

• Название: Учебнометодическое пособие по выполнению лабораторных работ и самостоятельной работе обучающихся Стерлитамак 2018
• Дата: 23.01.2023
• Размер: 2.62 Mb.
• Имя файла: УМП к лабораторным и СРО КИР.doc
• Тип: Учебно-методическое пособие; #899880
• страница: 6 из 6

Лабораторная работа № 6

Определение температурных напряжений в корпусе теплообменного аппарата
ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Определение температурных напряжений в корпусе теплообменного аппарата.

2. Определение распределения температурных напряжений по длине теплообменного аппарата.

3. Сравнение результатов опыта с расчетными данными.
6.1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Во время работы теплообменного аппарата жёсткого типа, корпус и трубки нагреваются до разных температур.

Среднюю температуру корпуса можно принять равной средней температуре теплоносителя, протекающего по межтрубному пространству. Средняя температура трубок во время работы при установившемся процессе равна средней арифметической сумме температур наружной и внутренней поверхности труб.
, (6.1)
где t_г - температура горячего потока;

t_x - температура холодного потока.
Эти температуры определяются по следующим формулам:
, (6.2)

, (6.3)
где Т - средняя температура греющего теплоносителя, С⁰;

t - средняя температура нагреваемого теплоносителя, С⁰;

и - коэффициенты теплоотдачи соответственно со стороны горячего и холодного теплоносителей, ;

k - коэффициент теплопередачи, ;

q - удельная тепловая нагрузка, .
Рассматриваемый теплообменник длиной l состоит из трубного пучка с площадью поперечного сечения F_m, модуль упругости материала труб E_m и коэффициент линейного расширения . Корпус теплообменника соответственно имеет F_k, E_k, .

Предположим, что трубные решетки и корпус не деформируются и поэтому температурные усилия распределяются равномерно на все трубы.

В материале труб при нагреве на величину равную разности температур трубок и корпуса (t_m-t_к) возникают напряжения равные
(6.4)
В действительности корпус упруго деформируется, в результате чего напряжения в трубах уменьшаются.

Представим случай, когда трубы и корпус между собой не связаны и имеют возможность независимо друг от друга расширяться.

При этом удлинение трубок составит
(6.5)

а удлинение корпуса
(6.6)
Удлинение труб больше удлинения корпуса на величину ,
(6.7)
В действительности трубы и корпус связаны между собой. При нагревании до различных температур, менее нагретый корпус дополнительно удлиняется, а более нагретые трубы сжимаются. Действительное удлинение будет меньше удлинения труб и больше удлинения корпуса,
(6.8)
Очевидно, что усилие сжатия труб Q_m равно усилию растяжения корпуса Q_k и равно температурному усилию,
Q_m=Q_k=Q_t
Согласно закону Гука, деформация труб и корпуса равна
; (6.9)
Подставляя выражения деформации (6.7) и (6.9) в формулу совместности деформаций (8), получим значение температурного усилия
(6.10)

Температурные напряжения в трубах и корпусе соответственно равны:
(6.11)
(6.12)
В случаи изготовления трубок и корпуса из одного материала, ; и , получим
; (6.13)
Зная диаметр корпуса, толщину стенок, наружный и внутренний диаметр теплообменных трубок, и число трубок в пучке, определяем площади сечения материала трубок и корпуса по формулам:
, (6.14)

(6.15)
Из выражения (6.13) следует, что для каждой данной конструкции температурные напряжения зависят от разности температур (t_m-t_k). Таким образом эта разность может служить первым указателем на допустимость применения теплообменника жёсткой конструкции. Принято считать, что при разности температур (t_m-t_k)>(40-50)⁰C в жёсткой конструкции теплообменников возникают уже недопустимо большие напряжения.

Но это не совсем верно. Во-первых, действительные напряжения получаются значительно меньше расчетных, вследствие прогиба трубных решеток и продольного изгиба трубок. В этом отношении особенно благоприятны длинные теплообменники с трубками длиной 5-7 м, в которых (t_m>t_k). Во-вторых, большая величина силы Q_tопасна преимущественно для конструкций, в которых трубки соединены с трубками решётки посредством развальцовки. Для таких теплообменников сила, приходящаяся на 1 см периметра всех труб, не должна превышать определенную величину, при которой ещё сохраняется прочность и плотность соединения и которая при отсутствии перепада давлений по обеим сторонам трубной доски будет равна
мн/м (6.16)
В теплообменниках, в которых трубки приварены к трубным доскам, или в теплообменниках типа "труба в трубе" можно допускать большие разности .
6.2 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Схема установки представлена на рисунке. Установка состоит из теплообменника жесткого типа, с внутренней трубой, диаметром 130х5 и наружной диаметром 200х5 и из стали марки , 08Х18Н10Т. Нагрев осуществляется теплоэлектронагревателями, расположенными во внутренней трубе. Регулируется работа ТЭНов с помощью регулятора, напряжения РНС-250. В межтрубное пространство подаётся вода, расход которой измеряется ротаметрами 10 типа РС-5. Регулировка расхода осуществляется вентилями 9. Температура в разных точках теплообменника измеряется ртутными термометрами 11, и термопарами 13, установленными в трех сечениях аппарата. Сигналы с термопар подаются на потенциометр 19. Терморегулятор 4 работает совместно с контактным термометром 14. Контроль силы тока и напряжения, подаваемого на теплоэлектронагреватель, осуществляется амперметрами и вольтметрами 15-18. Температурные напряжения, возникающие в трех сечениях корпуса теплообменника, снимаются тензодатчиками 12 и считываются с тензостанции 20.



6.3. ВКЛЮЧЕНИЕ УСТАНОВКИ В РАБОТУ.

6.3.1. Перед включением установки убеждаются в герметичности шланговых соединений и наличии заземления.

6.3.2. Установить на контактном термометре 14 заданную температуру, включить потенциометр.

6.3.3. Вывести ручки РНС-250 в крайнее левое положение и нажать кнопку пуск 7 и тумблер на терморегуляторах ТРР-2М. Установка включена.

6.3.4. Ввести движки реостатов на РНС-250 и установить напряжение на вольтметрах 17, 18 в пределах 100-150 В показания амперметров при этом не должны превышать 10-15 А.

6.3.5. После прогрева установки в течении 10-15 мин. открыть воду вентилем 8 и установить расход воды не более 1л/м вентилем 9.

6.3.6. О выходе установки на установившийся режим будет свидетельствовать автоматическое отключение одной пары нагревателей 2 контактным термометром 16.

6.3.7. Отключение установки: снять напряжение путём поворота рукояток реостатов РНС-250 в крайнее левое положение; нажать кнопку "стоп" и выключить тумблер на ТРР-2М; отключить потенциометр и тензостанцию, увеличить расход воды для более быстрого охлаждения теплообменника, после чего воду закрыть.
6.4 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

6.4.1. К выполнению работы допускаются студенты, изучившие методические указания и инструкции по ТБ к данной работе.

6.4.2. Перед включением установки в работу, снять показания тензодатчиков при комнатной температуре и занести в таблицу.

6.4.3. Включить установку и после её выхода на заданный режим снять показания тензодатчиков и занести в таблицу.

6.4.4. Окончив опыты, отключить установку от сети как описано в пункте.

6.4.5. Привести установку в порядок, доложить преподавателю об окончании работы.

Таблица

tm	tк	Показания тензодатч.	Сечение	∆t	Температурные напряжен.
			I
			II
			III

где t_m - температура внутренней трубы аппарата

t_k - температура корпуса аппарата;

∆t=t_m-t_k.
6.5 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Пусть начальным показанием прибора будет число 12580, а повторное показание - число 12595. Здесь первая цифра - это номер сечения. Число 2580 - условный нуль. Тогда абсолютное значение относительной деформации в точке 1 будет

о. ед.
Для вычисления напряжений воспользуемся законом Гука при растяжении

где - значение найденной деформации;

E - модуль упругости для стали.
Сравнить экспериментальные данные с данными полученными расчетным путем.

По выполненной работе составляется отчет, содержащий:

1) номер и наименование работы;

2) краткое описание работы;

3) схему установки;

4) расчет температурных напряжений;

5) таблицу с данными эксперимента;

6) сравнение полученных результатов. Выводы.

Студент должен уметь объяснить полученные результаты.
Список использованных источников

1. 
   Вихман Г.Л., Круглов С.А. Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - 327 с.
   
2. 
   Доронин В.Н. Критические скорости вращающихся валов. Основы теории расчета. - Казань: Изд. КХТИ, 1972. - 217 с.
   
3. 
   Канторович З.Б. Основы расчета химических машин и аппаратов. - 3-е Изд. перераб. и доп. - М: Машгиз, 1960. - 743 с.
   
4. 
   Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета j химической аппаратуры: Справочник. - М.: Машиностроение, 1970. - 752с.
   
5. 
   Топтуненко Е.Т. Основы конструирования и расчета химических аппара­тов и машин. - Харьков: Изд. Харьковского университета, 3968. - 275 с.
   
6. 
   ГОСТ 14249-80 (СТ СЭВ 596-77, СТ СЭВ 597-77, СТ СЭВ 1039-78 - СТ СЭВ 1041-78). Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. - Взамен ГОСТ 14249-73. Введ.01.07.80. Группа Г02.