Тепловые электрические станции Учебное пособие. Бойко Е.А. Красноярск ИПЦ КГТУ, 2006

	61
zб	= pDб ,	(6.11)
	Sб

где Dб = Dнп + dб + 0,01 – диаметр условной окружности расположения бол- тов или шпилек на фланце, м; Dнп – наружный диаметр прокладки, м.

Принимается значение числа шпилек или болтов, округленное в боль- шую сторону, причем желательно, чтобы полученное значение было кратным четырем.

Нагрузка на шпильки или болты в рабочих условиях должна компенси- ровать внутреннее давление и создавать удельное давление на прокладку, обеспечивающее герметичность фланцевого разъема в рабочих условиях. В составе фланцевых соединений теплообменных аппаратов применяются мяг- кие прокладки (из фторопласта, резины или паронита) и металлические (из алюминия, меди или стали).

Ширина прокладки b0 при величине внутреннего диаметра корпуса ап- парата Dвн > 0,8 м не должна быть меньше 10–20 мм [15]. Наружный диаметр

прокладки определяется по формуле

Dнп = Dвн + 2Sкорп + 2b0 + 2u ,

(6.12)

где u – расстояние от внутренней кромки фланца до внутренней кромки про- кладки, принимается равным для резиновых прокладок u = 3δ, для паронито- вых прокладок u = 2δ и для металлических прокладок u = δ , где δ – толщина прокладки, принимается равной от 2 до 5 мм.

6.7. Расчет фланцев

Расчет фланцевого соединения включает в себя расчет номинальной толщины фланца. Следует отметить, что болты во фланцевых соединениях используют реже, чем шпильки, так как при затяжке болта в стержне возни- кает большое скручивающее напряжение со стороны головки.

Конструкция фланцевых разъемов представлена на рис. 6.7.

При расчете плоских приварных фланцев толщина тарелки ( hф , м) оп- ределяется по соотношению [12]

	h	= 0,25	æ		Pв	+1ö		,	(6.13)
							D S
			ç
	ф			10		÷	вн 1
			è			ø

где Pв – давление нагреваемой среды, МПа; Dвн – внутренний диаметр кор- пуса теплообменного аппарата, м; S1 – толщина цилиндрической части плос- кого фланца, м, S1 = S + C , где S – толщина стенки элемента аппарата на ко- торый устанавливается фланец, м; C – поправка, величина которой должна

© Бойко Е.А. Расчет и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов ТЭС

62

быть не менее 5 мм. При этом необходимо учитывать, что как правило тол- щина стенки корпуса теплообменника отличается от толщины стенки крыш- ки водяной камеры, поэтому расчет толщины фланца выполняется для каж- дого из этих элементов в отдельности.

а

б

в

г

Рис. 6.7. Типичные способы соединения неподвижных трубных решеток с фланцем кожуха: а – соединение типа выступ в трубной решетке; б – соединение типа выступ с обеих сторон трубной решетки; в – соединение типа шип; г – соединение типа выступ – впадина с кольцевой проточкой; 1 – шпилька; 2 – трубная решетка; 3 – фланец кожуха; 4 – фланец крышки; 5 – трубная система; 6 – кольцевая проточка

6.8.Расчет термических напряжений

Втеплообменниках с жесткими соединениями между корпусом и труб- ными досками, какими являются, например, кожухотрубные теплообменни- ки, возникают дополнительные термические напряжения в трубках и корпусе аппарата вследствие различной степени их удлинения при нагреве и охлаж- дении. Эти напряжения могут привести к нарушению плотности соединения

©Бойко Е.А. Расчет и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов ТЭС

63

трубок с трубной доской, деформации трубок и, как следствие, к истиранию их в промежуточных перегородках и т. д.

Сила воздействия между корпусом и трубками за счет температурных расширений определяется по формуле [15]

P =

aкорп Dtкорп - aтр Dtтр

,

(6.14)

1

1

t

+

E

F

E

тр

F

корп

корп

тр

где Eкорп , Eтр – модули упругости материала корпуса и трубок, МПа, для ста-

ли E = 20,2×104 МПа, для латуни E = 11,5×104 МПа; F

, F – площадь по-

корп

тр

перечного сечения корпуса аппарата и его трубок, м2;

F = 0,785

é(D

+ 2S

)2 - D2 ù

,

(6.15)

корп

ë

вн

корп

û

ê

вн ú

F = 0,785N (d 2

- d 2 ),

(6.16)

тр

н

вн

где Dвн – внутренний диаметр корпуса аппарата, м; Sкорп

– толщина стенки

корпуса, м; N – общее число труб в аппарате;

dн , dвн

– наружный и внут-

ренний диаметры трубок, м; αкорп , αтр

– коэффициенты линейного расшире-

ния корпуса и трубок аппарата соответственно, 1/°С, для стали α = 11,6×10–6 1/°С, для латуни α = 19,0×10–6 1/°С; Dtкорп = tпср - tокр.с – разность между рабо- чей температурой корпуса и температурой окружающей среды, °С; Dtтр = tвср - tокр.с – разность между рабочей температурой трубок (средней

температурой нагреваемой среды) и температурой окружающей среды, °С. Напряжения, возникающие от совместного действия давления сред и

разности температур, определяются по формулам

для корпуса

sкорп

=

P

+

EкорпQос

,

(6.17)

t

Fкорп

Fкорп Eкорп

+ Fтр Eтр

для трубок

P

EтрQос

sтр

=

+

,

(6.18)

t

Fтр

Fкорп Eкорп + Fтр Eтр

где Qос – осевая сила, МН, растягивающая корпус и трубки и возникающая по действием давления среды, вычисляется по формуле

Q	= 0,785(D2	- Nd 2 )P + 0,785Nd 2		P ,	(6.19)
ос	вн	н п	вн	в

© Бойко Е.А. Расчет и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов ТЭС

64

где Pп , Pв – давление пара и воды соответственно, МПа.

Если рассчитанные напряжения σкорп и σтр превышают допустимые [σ] (см. табл. 6.1), необходимо в теплообменном аппарате устанавливать

компенсирующие устройства.

Как правило, в конструкциях теплообменных аппаратов паротурбин- ных установок применяются гибкие линзовые компенсаторы, устанавливае- мые на корпусе аппарата. На рис. 6.8 приведена основная типовая конструк- ция круглого металлического линзового компенсатора, применяемого в теп- лообменных аппаратах.

Dк

l1

l

S

Dвн

Рис. 6.8. Конструкция линзового ком- пенсатора, сваренного из нескольких сек- торных частей, соединяемых по радиаль-

ным плоскостям

Рекомендуемые основные размеры стальных линзовых компенсаторов для сварных кожухотрубных теплообменников, работающих под давлением пара не более 0,6 МПа, приведены в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Основные размеры стальных линзовых компенсаторов

Внутренний	Внешний	Ширина	Ширина	Толщина стенки линзы,
диаметр	диаметр	секции,	линзы,	S , м
корпуса,	компенса-	l , м	l1 , м	Давление	Давление
Dвн , м	тора, Dк , м			0,25 МПа	0,6 МПа
0,325	0,5	0,14	0,07	0,0025	0,0035
0,4	0,65	0,14	0,07	0,003	0,004
0,6	0,85	0,14	0,07	0,003	0,004
0,8	1,1	0,18	0,09	0,0035	0,004
1,0	1,3	0,18	0,09	0,004	0,005
1,2	1,5	0,18	0,09	0,004	0,005
1,4	1,7	0,18	0,09	0,004	0,005

© Бойко Е.А. Расчет и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов ТЭС

65

Для стальных аппаратов, работающих под давлением в межтрубном пространстве Pп > 0,6 МПа, расчетный внешний диаметр линзового компен-

сатора определяется по формуле [16]

Dк =	0,5Dвн					,	(6.20)
	0,5 -		Pп
			[s]	к
где Dвн – внутренний диаметр корпуса теплообменника, м; [s]к							– допускае-

мое напряжение материала изготовления линзового компенсатора, МПа, принимается по табл. 6.1.

Толщина стенки линзы компенсатора принимается равной толщине стенки корпуса подогревателя Sк = Sкорп , м.

Осевая реакция компенсатора при принятой толщине стенки линзы Sк

определяется по формуле

Pк =

l¢

(aкорп Dtкорп

- aтр Dtтр )

,

(6.21)

+

l¢

+

0,159k (1 - b)Dвн2

l¢

E

F

E

тр

F

E

S3

корп

корп

тр

корп

к

где l′ – длина одного хода и соответственно корпуса аппарата, м; αкорп , αтр –

коэффициенты линейного расширения корпуса и трубок аппарата соответст-

венно, 1/°С, для стали α = 11,6×10–6 1/°С, для латуни α = 19,0×10–6 1/°С;

Dtкорп = tпср - tокр.с – разность между рабочей температурой корпуса и температу- рой окружающей среды, °С; Dtтр = tвср - tокр.с – разность между рабочей темпера-

турой трубок (средней температурой нагреваемой среды) и температурой окру- жающей среды, °С; Eкорп , Eтр – модули упругости материала корпуса и трубок,

МПа, для стали E = 20,2×104 МПа, для латуни E = 11,5×104 МПа; F

,

F –

корп

тр

2

Dвн

площадь поперечного сечения корпуса аппарата и его трубок, м ; b =

– по-

D

æ

4(lnb)

ö

к

1- b

2

2

1

правочный коэффициент; k = 6,9ç

-

÷

– расчетный коэффи-

b

1- b2

1- b

ç

÷

циент [12].

è

ø

Деформация одной линзы компенсатора

л вычисляется по соотношению [15]

0,159k (1- b)P D2

D

л

=

к

вн

,

(6.22)

E

S3

корп

к

© Бойко Е.А. Расчет и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов ТЭС

66

Компенсирующая способность компенсатора примерно пропорциональна количеству линз в нем. Расчетное число линз в компенсаторе определяется из

выражения

l¢

é

æ

1

1

ö

ù

z

=

ê

a

Dt

- a

Dt

- P ç

+

÷ú ,

(6.23)

л

D

корп

корп

тр

тр

E

F

E F

к ç

÷

ë

è

корп

корп

тр тр

øû

л ê

ú

Принятое число линз zл должно быть не менее расчетного значения, но и не более четырех линз.

7. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

По правилам технической эксплуатации температура наружной поверх-

ности теплообменников должна обеспечивать минимальные тепловые потери в окружающую среду и безопасные условия эксплуатации. Для обеспечения необходимых температур (45 °С – при внутренней установке и 60 °С – при на- ружной) наружная поверхность аппарата покрывается изоляционными мате- риалами. Характеристики теплоизоляционных материалов приведены в при- ложении в табл. 7.1 [9].

В соответствии с требованиями ОСТ 108.271.28–81 [12] и ОСТ 108.271.17–76 [14] подогреватели должны поставляться в комплекте с дета- лями для крепления тепловой изоляции. На рис. 7.1, а приведена схема рас-

положения на наружной поверхности подогревателя деталей для крепления тепловой изоляции. На рис. 7.1, б показан типовые детали для крепления изо- ляции и способ их установки.

			Таблица 7.1
Свойства теплоизоляционных материалов
	Объемная масса,	Температура	Коэффициент теплопро-
Наименование	кг/м3	применения, °С	водности, λиз , Вт/(м×К)
Минеральная вата:			0,043 + 0,00029tнар
марка 75	120	600
марка 100	150	600	0,046 + 0,00023tнар
марка 125	190	600	0,053 + 0,00019tнар
Стекловата с набивкой	130–170	450	0,04 + 0,00035tнар
Картон асбестовый	1000–1300	600	0,157 + 0,00018tнар
Шнур асбестовый	250–350	350	0,09 + 0,0002tнар
Крошка диатомовая	500–600	900	0,012 − 0,185
Совелит:			0,075 + 0,00015tнар
марки 350	350	500
марки 400	400	500	0,078 + 0,00015tнар

© Бойко Е.А. Расчет и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов ТЭС

67

Рис. 7.1. Пример установки на корпус кожухотрубного теплообменника деталей для

крепления тепловой изоляции

© Бойко Е.А. Расчет и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов ТЭС

68

Толщина изоляционного слоя, Sиз , м определяется по формуле [4,

5]

Sиз	= lиз (tст - tнар ),	(7.1)
	qп

где λиз – теплопроводность теплоизоляционного материала, Вт/(м×К), принимается по табл. 7.1; tст – температура стенки корпуса теплооб- менного аппарата, °С, принимается в расчетах равной средней темпера- туре пара tпср ; tнар – температура наружной поверхности слоя изоляции, принимается равной 45 °С; qп – тепловые потери с 1 м2 изоляцион- ного слоя, Вт/м2

q	= a¢	(t	нар	- t	окр.с	),	(7.2)
п	из

где tокр.с – температура окружающей среды (температура в турбинном цехе), °С; α′из – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки изоля-

ции в окружающую среду, Вт/(м2×К).

Для изоляции, расположенной на открытом воздухе, коэффициент

теплоотдачи α′из , Вт/(м2×К)	определяется по выражению [10]
a¢из	= 8,4 + 0,06(tнар - tокр.с ).	(7.3)

По завершению выполнения всех расчетов осуществляется вычер- чивание теплообменного аппарата на листе графической части. На чер- тежном листе (формата А1) представляется сборочный чертеж подогре- вателя в индивидуальном масштабе, включающий разрез теплообмен- ного аппарата по высоте, вид с верху совмещенный с разрезом по

крышке водяной камеры и элементы деталировки с указанием основных габаритных и расчетных размеров, а также позиций основных элемен- тов. К числу основных элементов деталировки относятся: разрез флан- цевого разъема корпуса и крышки водяной камеры, способ крепления и расположения трубок трубного пучка на трубной доске. Расшифровка позиций основных элементов теплообменника осуществляется в специ- фикации, которая является самостоятельным разделом расчетно- пояснительной записки.

© Бойко Е.А. Расчет и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов ТЭС

69

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Почему по мере увеличения числа теплообменных аппаратов в реге- неративной схеме ТЭС увеличивается ее коэффициент полезного действия?

2.По давлению какой среды теплообменные аппараты подразделяются на подогреватели низкого (ПНД) и высокого (ПВД) давления и почему?

3.Приведите пример теплообменников работающих на ТЭС по прин- ципу: пар–вода, вода–вода, пар–пар, газ–пар, газ–вода, газ–газ

4.Укажите преимущества и недостатки теплообменников поверхност- ного и смешивающего типа.

5.Приведите пример теплообменников работающих на ТЭС при усло- вии неизменности агрегатного состояния обоих теплоносителей с изменени-

ем агрегатного состояния одного теплоносителя и с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей.

6.С какой целью теплообменные аппараты выполняют многозонными?

7.Как изменится гидравлическое сопротивление трубного пучка, если увеличится давление и температура перекачиваемой среды?

8.С какой целью и какого типа устанавливают поперечные перегород- ки в межтрубном пространстве теплообменного аппарата?

9.В чем заключается принципиальное отличие поверочной методики расчета теплообменных аппаратов от проектно-конструкторской?

10.Как попадают неконденсируемые газы (воздух) в межтрубное про- странство теплообменного аппарата и почему их необходимо удалять?

11.Укажите преимущества и недостатки теплообменных аппаратов вертикального и горизонтального типов.

12.Почему величина недогрева в подогревателях высокого давления ниже (θпвд = 2–4 °С), чем в подогревателях низкого давления (θпнд = 3–6 °С)?

13.Чем объясняется, что рекомендуемая скорость греющего пара в те- плообменном аппарате составляет 30–50 м/с, а нагреваемой воды – 1–3 м/с?

14.От чего зависит выбор расположения трубок на трубной доске – по шестиугольникам, либо по концентрическим окружностям?

15.Для чего теплообменные аппараты выполняют многоходовыми, но

счислом ходов не более 12?

16.Укажите способы крепления трубного пучка на трубной доске теп- лообменного аппарата, преимущества и недостатки каждого из них?

17.У каких теплообменных аппаратов и почему эффективность тепло- обмена будет выше: вертикального или горизонтального типа?

18.Как изменится конструкция теплообменного аппарата, если сталь- ные трубки трубного пучка заменить на латунные?

19.Перечислите исходные условия и требования для рационального проектирования теплообменников?

20.Укажите преимущества и недостатки прямых и U-образных труб?

© Бойко Е.А. Расчет и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов ТЭС

70

21.Перечислите факторы, определяющие снижение веса и стоимости теплообменного аппарата.

22.Каково назначение гидрозатвора в межтрубном пространстве теп- лообменного аппарата и к чему может привести его отсутствие?

23.Укажите основные достоинства и недостатки таких теплоносителей как горячая вода, водяной пар и дымовые газы.

24.К изменению каких режимных параметров и почему приведет уве- личение уровня конденсата пара (дренажа) вследствие порыва трубного пуч- ка?

25.Укажите способы компенсации температурных расширений в теп- лообменном аппарате. Какие кожухотрубные теплообменники не нуждаются

вспециальных компенсационных устройствах?

26.Почему нежелателен упуск уровня конденсата пара в теплообмен- ном аппарате?

27.Для чего и какими способами увеличивают скорость теплоносителя

вмежтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников?

28.С какой целью и каких элементов теплообменного аппарата выпол- няется расчет на прочность?

29.Укажите, по каким характеристикам сравнивают разнообразные конструкции теплообменных аппаратов?

30.Как изменится компоновка теплообменного аппарата, если грею- щий пар направить в трубки трубного пучка, а нагреваемую среду – в меж- трубное пространство?

31.Укажите основные положения при выборе типа теплообменного

аппарата?

32.Укажите комплекс мероприятий направленных на повышение ко- эффициента полезного действия теплообменного аппарата?

33.В чем состоит отличие предварительного, авансированного и тех- нических проектов теплообменной аппаратуры?

34.У каких теплообменных аппаратов (ПНД или ПВД) эксергетиче- ский коэффициент полезного действия будет выше и почему?

35.Почему длину труб одного хода теплообменного аппарата не вы- полняют менее 2 м и более 9 метров, а отношение длины одного хода к внут- реннему диаметру корпуса не менее 2 и не более 4?

36.Что такое критический радиус тепловой изоляции теплообменного аппарата и от чего он зависит?

37.Чем определяется цена изготовления и монтажа теплообменного

аппарата?

38.Как определяются температуры нагреваемой среды на выходе из охладителя пара (ОП) и охладителя дренажа (ОД) теплообменника поверхно- стного типа?

39.Выразите коэффициент полезного действия теплообменника через

© Бойко Е.А. Расчет и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов ТЭС