Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих конструктивных элементов повышающих тепловую эффективность кожухотрубчатых теплообменных аппаратов и способы их изготовления 8
1. Г Способы повышения тепловой эффективности кожухотрубчатых теплообменных аппаратов 8
1.2. Особенности конструкций кольцевых коллекторов кожухотрубчатых теплообменных аппаратов 18
1.3. Обзор существующих методов и способов изготовления кольцевых коллекторов 28
1.4. Выводы 37
2. Исследование влр1яния конструктивных параметров на функционально-технологические характеристики кольцевых коллекторов 38
2.1. Анализ геометрических параметров кольцевых коллекторов 38
2.2. Анализ организации потоков теплоносителя внутри кольцевого коллектора 47
2.3. Определение основных силовых параметров процесса изготовления кольцевых коллекторов методом штамповки 55
2.3.1. Расчет усилия гибки полуобечайки 55
2.3.2. Расчет усилия вытяжки расширенной части коллектора 57
2.3.3. Расчет усилия отбортовки отверстия под штуцер 61
2.4. Сравнительный анализ тепловой эффективности теплообменых аппаратов с внутренним диаметром 1 О О О мм 64
2.5. Выводы 67
3. Оценка напряжешого состояния корпусов теплообменных аппаратов с кольцевбми коллекторами на корпусе 68
З.1. Расчет напряженного состояния оболочки кольцевого коллектора по методу конечных элементов 68
3.2. Расчет напряженного состояния кольцевых коллекторов под действием внутреннего давления по методу конечных элементов 71
3.3. Выводы 81
4. Разработка технологического процесса изготовления коллекторов 82
4.1. Составление механической схемы пластической деформации при изготовлении кольцевых коллекторов 82
4.2. Проектирование модельной штамповой оснастки для штамповки элементов кольцевых коллекторов 90
4.3. Методика проведения испытаний образцов изготовленных на модельной штамповой оснастке 97
4.4. Разработка технологии изготовления кольцевых коллекторов для корпусов кожухотрубчатых теплообменных аппаратов с внутренним диаметром 1 О О О мм 103
4.5. Выводы 106
Список использованных источников 107
Приложения 117
- Особенности конструкций кольцевых коллекторов кожухотрубчатых теплообменных аппаратов
- Определение основных силовых параметров процесса изготовления кольцевых коллекторов методом штамповки
- Расчет напряженного состояния оболочки кольцевого коллектора по методу конечных элементов
- Составление механической схемы пластической деформации при изготовлении кольцевых коллекторов
Особенности конструкций кольцевых коллекторов кожухотрубчатых теплообменных аппаратов
Теплообменные аппараты имеют различные узлы ввода (коллекторы). Все конструкции коллекторов, как правило, предназначены для распределения потока теплоносителя в межтрубном пространстве, этим обусловлена внешняя схожесть этих устройств. Например, почти все существующие коллекторы вынесены за пределы диаметра кожуха аппарата. Это сделано для того, чтобы коллекторы не занимали пространство внутри кожуха, т.к. в этом пространстве размещаются теплообменные трубки. Помимо этого распределительные устройства выполняют дополнительные функции, этими функциями обуславливаются различия в конструкции этих устройств.
Теплообменный аппарат [88] (рис. 1.8) имеет распределительное устройство, выполненное в виде коллекторной камеры, снабженной золотником. Теплообменник имеет реверсивное движение сред, содержащий подводящий и отводящий патрубки, подключенные к межтрубному пространству с помощью коллекторной камеры, снабженной золотником, и перегородки, разделяющие межтрубное пространство на несколько ходов, отличающихся тем. что, с целью снижения отложений на трубах и увеличения коэффициента теплопередачи, каждый патрубок разделен на две ветви, а золотник выполнен вращающимся с впускными окнами, сообщающими поочередно ветви патрубков с первым и последним ходами, причем выпускные окна выполнены с меньшим сечением, чем впускные.
Теплообменник [85] (рис. 1.9) содержит цилиндрический кожух, установленную на его боковой поверхности приставку с переменным и раздающим штуцерами для межтрубного пространства, и размещенный внутри приставки, перепускной клапан. Приставка имеет в поперечном сечении каплевидную форму и размещена вокруг кожуха с зазором, разделенным поперечной диафрагмой на две полости, через одну из которых входной штуцер соединен с межтрубным пространством, а другая полость, сообщающаяся с первой при открытом клапане, подключена к разделяющему штуцеру и служит байпасным каналом. Такая конструкция коллектора позволяет снизить энергетические затраты при последовательном соединении теплообменников, а также повышает удобство монтажно-демонтажных работ.
Входная камера теплообменника [97] (рис. 1.10), содержит корпус с патрубком для подачи теплоносителя, трубную доску, распределительную полость для теплоносителя, поступающего через патрубок. С целью повышения надежности работы теплообменника путем снижения и выравнивания скорости теплоносителя, жесткости и виброустойчивости труб, в камере установлена, по меньшей мере, одна дополнительная решетка, выполненная в виде сплошной кольцевой перегородки.
Теплообменник [86] (рис. 1.11) содержит цилиндрический кожух с входным и выходным штуцерами. Камера ввода 2 выполнена в виде накладного элемента, прикрепленного с одной стороны к корпусу аппарата, а с другой к внутренней трубое. Обечайка корпуса 1 также служит отбойником. Но отверстий или каких-либо других вырезов в ней не делают, поток теплоносителя проходит между обечайкой корпуса и стенкой расширителя. Теплоноситель поступает в теплообменник через патрубок и, отражаясь от обечайки корпуса, которая служит отбойником, попадает в корпус распределительной камеры. Поток распределяется по всему периметру распределительной камеры и затем поступает в зазор между обечайкой корпуса и внутренней трубой. Таким образом, перемещаясь от периферии к центру, теплоноситель проходит несколько раз длину аппарата. Поток теплоносителя внутри аппарата на правляется внутренними трубами 4 и 5, расположенными концентрически, по отношению друг к другу (замкнутыми на конце переходами), и затем по центральной трубе 6 и через патрубок 3 выводится из аппарата.
Теплообменник [88] (рис. 1.12) имеет кольцевую камеру, исполненную в виде продолжения корпуса на входе теплоносителя в аппарат. Теплоноситель поступает в распределительную камеру, огибает отбойник и входит в межтрубное пространство через зазор между отбойником и фланцем корпуса аппарата. При этом поток теплоносителя попадает на начало труб трубного пучка и, отражаясь от трубной решетки, поступает в межтрубное пространство.
Теплоноситель поступает в пучок труб через патрубки в кожухе аппарата и, если скорость потока в трубах превышает определенное значение, то в трубах может начаться вибрация, может возникнуть эрозия и, вследствие этого, выход из строя теплообменного аппарата. Для предотвращения ударных нагрузок необходимо установить противоударную защиту.
Вместо противоударных пластин можно применить на ближнем к патрубку участке трубы стержни (рис. 1.13). Это обеспечивает лучшее распределение потока в пучке труб. Но любая конструкция противоударных устройств приводит к уменьшению числа труб, которые можно разместить в кожухе аппарата.
Определение основных силовых параметров процесса изготовления кольцевых коллекторов методом штамповки
Расчет проводился для кожухотрубчатого теплообменного аппарата с размерами: В=1000 мм, 5А10 мм, материал корпуса аппарата ВСтЗ. Для кольцевого коллектора были выбраны следующие конструктивные параметры [15, 56, 62]: Ор =1120 мм, 8}= 10 мм. Во = 300 мм; материал ВСтЗ.
Основные усилия действуют на заготовку в соответствии с технологией изготовления. В случае использования для щтамповки предварительно изогнутой под радиус корпуса аппарата на листогибочной мащине заготовки, штамповка производится за два последовательных перехода, обеспечивающих вытяжку расширенной части и отбортовку отверстия под патрубок. Иначе, если для щтамповки используется плоская заготовка, то перед вытяжкой необходимо провести гибку заготовки в штампе. Для второго случая изготовления кольцевых коллекторов основными силовыми параметрами процесса будут являться: 1) усилие гибки заготовки под радиус корпуса аппарата -Ргиб 2) усилие для вытяжки расширенной части кольцевого коллектора - ; 3) усилие для отбортовки отверстия под штуцер -р д. Каждое из усилий воздействует на заготовку в пределах своего перехода, формируя поверхность коллектора под действием остаточных пластических деформаций.
Исходными параметрами для расчета усилия, необходимого для гибки заготовки под радиус корпуса аппарата, являются: Кг - радиус гибки, мм; оп ределяемый по формуле: В/2, В - диаметр корпуса аппарата; толщина материала 5 , мм; размеры заготовки и механические свойства материала. Для гибки полосы изгибающий момент можно определить по формуле [60]: где Ж - момент сопротивления заготовки, определяется по формуле: Зо - «экстраполированный» предел текучести определяемый по формуле: _а,-(1-2.Д) где фь - относительное поперечное сужение при изгибе в момент начала образования шейки, для листового проката СтЗсп [61] = 30%; 8- истинное напряжение (сопротивление деформации) в наружных (растянутых) волокнах при гибке, определяется в зависимости от степени деформации этого волокна; г полное относительное удлинение крайних волокон при изгибе; фг -относительное поперечное сужение при изгибе, которое рассчитывается по формуле: 2- - + 1 Таким образом, усилие гибки можно определить, поделив изгибающий момент на плечо гиба (в данном случае это расстояние от оси симметрии до края матрицы - / ) : Ргив = Mil . При гибке с большими радиусами закругления необходимо определить не угловое пружинение, а упругое изменение радиуса после гибки. В данном случае остаточные деформации можно определить по формуле: 1 + 1 где 5 - толщина металла заготовки; г - радиус гиба заготовки; бо -деформация заготовки. Затем по диаграмме растяжения данного материала находим значение полной деформации: после чего определяем радиус пуансона по формуле:
Величина зазора между матрицей и пуансоном, так же как и радиус закругления, оказывает влияние на усилие гибки и на качество изгибаемой детали. Чем меньше зазор, тем больше усилие гибки. При малых зазорах может получиться утонение стенок изделия. Кроме того, зазор оказывает влияние на величину пружинения.
Величина зазора (на одну сторону) при гибке в основном зависит от толщины, рода материала и допуска на его изготовление. Эта зависимость выражается формулой: где 2 - величина зазора на сторону; з - толщина металла заготовки; 5„А- верхнее отклонение допуска на толщину листового проката заготовки; с - коэффициент, учитывающий уменьшение трения изготавливаемой детали о рабочую поверхность матрицы, согласно [51, 40], можно принять с = 0,15.
Зазор назначают из счета размеров пуансона в том случае, когда требуется сохранить наружный размер детали, и за счет размеров матрицы, когда требуется выдерживать внутренние размеры детали.
Как известно, для корпусных аппаратов, к которым относятся теплооб-менные аппараты, важно выдерживать внутренний размер детали. Поэтому, в данном случае зазор назначается исходя из размеров матрицы.
Усилие для вытяжки расширенной части коллектора нужно рас считывать, учитывая, что деформация заготовки происходит в двух направ 58 лениях. В продольном направлении происходит вытяжка расширенной части, при которой формируются такие размеры коллектора как К] и 7 2 угол а, и при этом происходит изменение ширины заготовки Ь в поперечном направлении.
В поперечном направлении происходят гибка и растяжение заготовки в центральной части, и увеличение радиуса заготовки от радиуса корпуса аппарата В (сформированного гибкой в первом переходе) до радиуса расширенной части Вр. Края заготовки, прижатые прижимами, при этом не подвергаются деформации и сохраняют первоначальные размеры.
Таким образом, в процессе вытяжки средняя часть заготовки превра-ш,ается в расширенную часть коллектора с основными размерами Вр, Я], Кг, сх и т.д. Так как объем металла при вытяжке не изменяется, то вытяжка происходит за счет пластической деформации, сопровождаемой смещением объема металла. При этом увеличивается вероятность образования гофр и складок. Для предотвращения образования этих дефектов при вытяжке применяются прижимы. Значительного утонения в центральной расширенной части не происходит благодаря тому, что металл под действием усилия вытяжного пуансона перемещается вдоль образующей, преодолевая усилие трения от действия прижимов.
Для данного типа заготовки в литературе нет формул для определения усилия вытяжки. Поэтому для определения усилия вытяжки будем использовать формулы для расчета процесса вытяжки детали произвольной формы. Точно заранее определить усилие вытяжки детали произвольной формы практически невозможно, для этого используют опытные данные штамповки похожих изделий и эмпирические формулы для задания приближенного значения усилия. Затем, исследуя напряженно-деформированное состояние готовой детали, по заранее нанесенной на нее сетке, определяют поправочные коэффициенты и, таким образом, получают уточненную формулу для расчета усилия вытяжки данной детали.
Расчет напряженного состояния оболочки кольцевого коллектора по методу конечных элементов
Сущность метода конечных элементов заключается в том, что для изучения напряжений и деформаций, возникающих в реальной конструкции детали, строится сетка. Сетка состоит из бесконечно малых конечных не деформируемых элементов, соединенных друг с другом в узлах. Построенной сетке присваиваются свойства материала изучаемой детали. На эту сетку накладывают действующие нагрузки, реакции в узлах опор и изучают напряжения и деформации, возникающие в узлах сетки.
Как было отмечено выше, поверхность кольцевого коллектора симметрична относительно оси штуцера и оси вращения. Таким образом, можно рассмотреть только четверть поверхности коллектора. Для расчета необходимо составить сетку конечных элементов и, задав для ее узлов условия закрепления и действующие на поверхность коллектора силы, провести расчет напряжений и деформаций от приложенных нагрузок, и сравнить максимальные значения нагрузки с допускаемыми напряжениями для материала коллектора.
В качестве ячеек сетки удобно использовать четырехугольный конечный элемент с четырьмя узлами для закрепления. Конечные элементы плоские, и поэтому, для построения сетки поперек образующей необходимо использовать большее число конечных элементов, чем в продольном направлении. В связи с тем, что все поверхности коллектора имеют общую ось вращения удобно использовать для построения цилиндрическую систему координат. Затем задаются геометрические характеристики конечного элемента, такие как толщина - в данном случае толщина кожуха аппарата, площадь, моменты инерции и т.д. Полученной таким образом сетке присваиваются свойства металла детали модуль упругости, коэффициент Пуассона, плотность и т.д.
Условия закрепления соответствуют связям рассматриваемого элемента коллектора с кожухом аппарата. В данном случае условия закрепления задаются для узлов сетки в виде ограничений перемещения в тех или иных направлениях. Узлы сетки, расположенные вдоль образующей связанны с конечными элементами, расположенными на окружности и поэтому реакции в этих узлах направлены по касательной к конечному элементу в поперечном направлении. Узлы, расположенные в поперечном направлении связанны с конечными элементами, расположенными на образующей, поэтому реакция в этих узлах имеет составляющую, направленную вдоль образующей коллектора. В связи с тем, что кожух аппарата препятствует деформации в продольном направлении необходимо один край сетки ограничить в перемещениях вдоль и поперек образующей.
Прикладываемые внещние нагрузки соответствуют действию внутреннего давления, они действуют в виде распределенной нагрузки по внутренней поверхности кольцевого коллектора. В данном случае заменяем внутренне давление усилием, действующим в середине каждого конечного элемента по нормали к поверхности и в направлении изнутри наружу.
Для наглядности представления результатов расчета на рисунке 3.1 представлена сетка конечных элементов с условиями закрепления (а) и сетка в деформированном состоянии под действием внутреннего давления (б), распределение напряжений (д) и распределение деформаций (с).
Моделирование напряженного состояния кольцевого коллектора в виде оболочки позволяет более наглядно показать распределение напряжений, но для анализа влияния конструктивных параметров на поля напряжений более удобной является осесимметричная конечно-элементная модель. Поэтому в последующем выполнен анализ напряженного состояния кольцевого коллектора в осесимметричной постановке.
Установка коллектора на корпусе аппарата, работающего под действием внутреннего давления, приводит к значительному изменению напряженного состояния корпуса. Для того, чтобы узнать, как работает кольцевой коллектор на теплообменном аппарате под действием внутреннего давления необходимо рассчитать распределение напряжений и деформаций вдоль образующей коллектора. Аналитические методы расчета полей напряжений не позволяют достаточно точно оценить напряжения в кольцевом коллекторе из-за сложности его конфигурации [43]. Поэтому, нами был использован численный метод анализа - метод конечных элементов (МКЭ), позволяющий оценивать поля напряжений для деталей сложной формы.
Кольцевой коллектор представляет собой поверхность вращения с образующей, которая симметрична относительно оси штуцера. Поэтому можно рассмотреть только половину образующей. Для генерации конечно элементной сетки продольного сечения расширителя были использованы четырехугольные изопараметрические конечные элементы в осесимметричной постановке. Образующая коллектора имеет геометрические параметры, такие как радиусы округлений и угол наклона (рис. 3.1). В связи с тем, что вычисления по этой методике очень трудоемки, для расчетов нами была составлена программа для ЭВМ.
Был произведен расчет распределения меридиональных и эквивалентных напряжений (по энергетической теории) вдоль образующей кольцевого коллектора, при нагружении корпуса аппарата внутренним давлением р=1 МПа [62], при следующих исходных данных: внутренний диаметр корпуса а п п а р а т а / ) =1000 мм; внутренний диаметр коллектора 1) =7720 мм; толщина стенки коллектора .у =10 мм (см рис. 3.1). Эти размеры кольцевого коллектора соответствуют размерам, взятым согласно ТУ26-02-1102-89. Нерегламен-тированные размеры образующей взяты по рабочим чертежам ОАО «Сала 72 ватнефтемаш» Ь]=100 мм; а=45; К]=К2=30 мм. Для оценки воздействия кольцевого коллектора на цилиндрическую часть корпуса аппарата увеличим длину Ь]=30 мм [48, 62] до Ь]=100 мм. Материал корпуса аппарата учитывается заданием характеристик материала модуль упругости и предел прочности для ВСтЗсп [62, 64
Составление механической схемы пластической деформации при изготовлении кольцевых коллекторов
Для проектирования технологического процесса штамповки важно знать напряженное и деформированное состояние каждого участка заготовки в течение всего процесса штамповки. Совокупность схем напряженного и деформированного состояния тела при пластической деформации является механической схемой деформаций. Сравнивая и исследуя различные механические схемы деформации можно классифицировать различные способы формоизменения и получить представление о наличии главных напряжений и деформаций.
Рассмотрим механическую схему деформаций процесса формообразования кольцевых расширителей. Вначале на плоскую заготовку прямоугольной формы воздействует гибочный пуансон, при помощи которого формируется радиус, равный радиусу корпуса аппарата, и поверхность, которая будет присоединятся к обечайке корпуса аппарата.
Так как при гибке изделие должно сохранять ту форму, которую оно получило под действием внешних сил (иметь остаточную деформацию), то в металле возникают напряжения, лежащие за пределом упругости.
В работах [60, 61] установлено, что деформация заготовки происходит вблизи углов гибки - очагов деформации. В процессе гибки слои металла, расположенные у внутренней поверхности (со стороны пуансона с меньшим радиусом кривизны), испытывают сжатие в продольном направлении и растяжение в поперечном направлении, а слои, расположенные у внешней поверхности (со стороны матрицы с большим радиусом кривизны), растяжение в продольном направлении и сжатие в поперечном. Между растянутыми и сжатыми (волокнами) находится нейтральный слой ОО, не изменяющийся по длине, положение которого определяется радиусом кривизны р (рис. 4.1).
Затем на изогнутую заготовку в средней ее части воздействует вытяжной пуансон. Вытяжка происходит за счет пластической деформации фланцевой части, которая находится в соприкосновении с матрицей и прижимами и переходной частью, которая плавно соединяется с фланцевой и расширенной частями. Остальная часть заготовки в основном деформируется упруго или получает незначительные пластические деформации. На всем протяжении процесса вытяжки заготовка меняет внутреннее закругление, которое меньше радиуса закругления пуансона, причем при движении пуансона происходит увеличение радиуса изгиба заготовки от величины, равной радиусу корпуса, до радиуса пуансона.
При этом металл заготовки по краям прижимается к матрице гибочным пуансоном. Вытяжной пуансон по мере движения вниз соприкасается с краями изогнутой заготовки под углом ; (рис. 4.2, а). При этом сегмент пуансона, на ходящийся между точками соприкосновения, не приходит в контакт с металлом заготовки.
При движении пунсона вниз центр пунсона О передвигается вниз и приходит в положение О/. Радиус изогнутой заготовки в средней ее части практически не меняется, а металл по краям начинает прижиматься к образующей пунсона, постепенно увеличивая площадь соприкосновения (рис. 4.2, б). Центральная ось С заготовки смещается на величину перемещения пуансона к и переходит в С}.
Далее по мере движения пуансона радиус изгиба увеличивается, а края заготовки отходят от образующей вытяжного пуансона под действием растягивающих сил препятствующих движению краев заготовки вниз (рис. 4.2, в). Центр пуансона смещается в точку О2. Радиус изгиба заготовки в центральной части меняется и становится равным который находится в пределах Кп К1 Я. При этом у края зажима растягивающее усилие будет иметь максимальное значение и постепенно уменьшаться по мере приближения к оси симметрии. Поэтому, металл в области оси симметрии меньше подвергнут растяжению и действию сил трения.
На завершающем этапе вытяжной пуансон прижимает заготовку к матрице (рис. 4.2, г), при этом радиус заготовки увеличивается и становится равным радиусу вытяжного пуансона, а центр пуансона О3 перемещается вниз и совмещается с центральной осью заготовки С3.
В это же время в продольном направлении происходит вытяжка расширенной части. Края заготовки прижимаются к матрице гибочным пуансоном, в центре на заготовку воздействует вытяжной пуансон.
Рассмотреть деформацию заготовки на всем продольном направлении практически невозможно. Поэтому, для рассмотрения процесса деформирования заготовки необходимо разделить заготовку в продольном направлении на несколько участков с характерными деформациями и рассмотреть эти участки в отдельности. В начальный момент вытяжки заготовка зажата по краям между матрицей и гибочным пуансоном. В средней части заготовка соприкасается только по краю с вытяжным пуансоном (рис. 4.3, а). При этом заготовку в продольном направлении можно разделить на два участка: АВ - участок, прижатый к матрице и ВЕ-часть заготовки, находяп аяся в ненагруженном состоянии.
Вытяжной пуансон под действием усилия Р движется вниз, при этом заготовка растягивается на участке ВР (рис. 4.3, б), и на ней можно выделить три участка с характерными деформациями. На участке АВ заготовка в начальный момент времени остается на месте благодаря тому, что прижимается к матрице гибочным пуансоном. На участке ВВ заготовка испытывает растяжение в продольном направлении. На участке ПР заготовка испытывает растяжение, и под действием вытяжного пуансона внутренняя поверхность заготовки испытывает трение.
