УДК 621.565.45

Прочностной и термодинамический расчет теплообменника

Савиных Алексей Александрович – студент факультета Ракетно-космической техники Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова.

Астахов Александр Михайлович – студент факультета Ракетно-космической техники Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова.

Бородулин Дмитрий Павлович – студент факультета Ракетно-космической техники Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова.

Двойникова Екатерина Владимировна – студент факультета Ракетно-космической техники Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова.

Кутилин Артем Александрович – студент факультета Ракетно-космической техники Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова.

Аннотация: Объектом исследования является теплообменник, построенный в программе SolidWorks, согласно исходным данным. Цель работы – проведение термодинамического и прочностного расчетов теплообменника. В процессе работы производились расчет теплообменника на теплопроводность в пакете «Flow Simulation» и прочностной расчет в пакете «Simulation», а также сравнение его с характеристиками, рассчитанными по классическим теориям прочности и общий анализ полученных зависимостей в SolidWorks. В результате были получены закономерности изменения характеристик при протекании газа по каналам, охлаждаемых водным хладагентом и установлены параметры давлений и толщин стенок элементов теплообменника, требуемые для надежной работы.

Ключевые слова: теплообменник, SolidWorks, Simulation, Flow Simulation, прочностной расчет, термодинамический расчет, кожух, юбка, трубки, хладагент.

Теплообменник – это устройство, назначением которого является передача тепла от нагретой среды к холодной, которое используется в энергетике, металлургии, промышленности, на тепловых пунктах, в системах отопления, вентилирования и кондиционирования. Общий вид теплообменника в разрезе приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Теплообменник в разрезе.

Рассмотрим задачу, в которой необходимо охладить газ, проходящий под высоким давлением через теплообменник. Для обеспечения надежности работы теплообменника нам необходимо рассчитать прочность изделия, а также сгенерировать процесс охлаждения газа. Все это можно сделать с помощью программы SolidWorks – для расчета на прочность воспользуемся пакетом «Simulation», для генерирования процесса охлаждения – «Flow Simulation».

Полученный расчет на прочность сравним с расчетом по классическим теориям для изделия из конкретного материала.

Постановка задачи и данные для расчета

В работе необходимо выполнить следующие задачи:

  1. Провести прочностной расчет по классическим теориям и с помощью пакета «Simulation» для трех элементов теплообменника: внешний кожух (рисунок 2), юбки (конические изделия, ограничивающие кожух теплообменника) (рисунок 3), а также трубки (внутренние канала теплообменника) (рисунок 4). При прочностном расчете необходимо определить надежность конструкции при выбранных параметрах, а также определение допустимых параметров при заданных нагрузках.

Рисунок 2. Модель кожуха.

Рисунок 3. Модель юбки.

Рисунок 4. Трубки в сборе (дефлектор и решетка).

  1. Провести термодинамический расчет в пакете "Flow Simulation" с целью определения характеристик передачи тепла в разных участках проходящего потока.

Исходные данные для прочностного расчета:

  • Толщина стенок кожуха и юбки 3 мм, трубки – 1 мм;
  • Материал всех изделий – 12Х18Н10Т;
  • Давление в кожухе и юбке – 4 МПа, в трубках – 1 МПа;
  • Диаметр внутренней части кожуха и юбки – 102 мм, трубки – 10 мм;
  • Угол конической части 30˚.
  • Данные для термодинамического расчета:
  • Газ, идущий по трубкам - 40% CO2 + 60% водяного пара;
  • Хладагент – вода;
  • Расход газа – 90 гр/с с температурой на входе 350 оС и давлением на выходе 4 МПа;
  • Температура воды 30 оС, давление на входе 2 МПа, на выходе 1 МПа.

Прочностной расчет по классическим теориям

  1. Расчет прочности кожуха:

pв = 4 МПа – давление воды на внутреннюю стенку кожуха

D = 102 мм – диаметр внутренней части кожуха

S = 3 мм – толщина стенки кожуха

[σ] = 174 МПа – допустимое напряжение для стали 12Х18Н10Т при Т = 373 К

φp = 1 – коэффициент для отношение D/s = 34

 – минимальная расчетная толщина

 – допустимое внутреннее избыточное давление

  1. Расчет прочности юбки:

P = 4 МПа – давление воды на внутреннюю стенку юбки

D = 102 мм – диаметр внутренней части юбки

S = 3 мм – толщина стенки кожуха

α = 30о – угол конической части

[σ] = 132 МПа – допустимое напряжение для стали 12Х18Н10Т при Т = 723 К

φp = 1 – коэффициент для отношение D/s = 34

 – минимальная расчетная толщина

 – допустимое внутреннее избыточное давление

  1. Расчет прочности трубки:

P = 1 МПа – давление газов на внутреннюю стенку трубки

D = 10 мм – диаметр внутренней части трубки

S = 1 мм – толщина стенки трубки

[σ] = 132 МПа – допустимое напряжение для стали 12Х18Н10Т при Т = 723 К

φp = 1 – коэффициент для отношение D/s = 10

 – минимальная расчетная толщина

 – допустимое внутреннее избыточное давление

Таким образом, согласно расчету по классическим теориям все исследуемые изделия должны выдержать приложенную нагрузку при выбранной толщине, также определены предельные давления для выбранных толщин и предельные толщины для выбранных давлений.

Прочностной расчет в SolidWorks Simulation

Производится прочностной расчет кожуха, юбки и трубки теплообменника. Все детали закреплены с двух сторон. Юбка и кожуха рассчитаны с внутренним давлением 4 МПа, трубки – 1 МПа.

У кожуха мы наблюдаем напряжения меньшие его предела текучести (рисунок 5, 6). Статическое перемещение же кожуха не превышает 0,12 мм (рисунок 7).

Рисунок 5. Статическое узловое напряжение кожуха с внешней стороны.

Рисунок 6. Статическое узловое напряжение кожуха с внутренней стороны.

Рисунок 7. Статическое перемещение кожуха.

У юбки мы также наблюдаем напряжения, не превышающие его предела текучести (рисунок 8, 9). Статическое перемещение юбки достигает 15 микрон, что так же незначительно (рисунок 10).

Рисунок 8. Статическое узловое напряжение юбки с внешней стороны.

Рисунок 9. Статическое узловое напряжение юбки с внутренней стороны.

Рисунок 10. Статическое перемещение юбки.

У трубки теплообменника напряжения на порядок ниже его предела текучести (рисунок 11, 12). Статическое перемещение трубки достигает 93 микрон (рисунок 13).

Рисунок 11. Статическое узловое напряжение трубки с внутренней стороны.

Рисунок 12. Статическое узловое напряжение трубки с внешней стороны.

Рисунок 13. Статическое перемещение трубки.

Согласно прочностному расчету по классическим методам и прочностному расчету через пакет Simulation, кожух, юбка и трубка удовлетворяют требованиям прочности. Кожух и юбка с толщиной стенки 3 мм, а также трубка с толщиной – 1 мм выдерживают приложенные нагрузки и не нарушают целостности. Для всех деталей рассчитанные напряжения не превышают предельно допустимых, также как и давления, приложенные на внутреннюю поверхность деталей.

Терморасчет

В пакете «Flow Simulation» производим расчет теплообмена.

Указываем рабочие тела: жидкости – вода, газы – диоксид углерода и водяной пар и их концентрацию. Указываем подобласти течения жидкости в соответствии с задумкой. Задаем граничные условия:

  • Вход воды: температура 30 оС, давление 2 МПа.
  • Выход воды: давление 1 МПа.
  • Вход газа: температура 350 оС, расход газов 90 гр/с, их концентрация 40% CO2 и 60% водяного пара.
  • Выход газа: давление 4 МПа.

Результаты расчета представлены на рисунках 14-16.

На расчете видно, что происходит обмен теплом – продукты сгорания в начале своего участка имеют температуру 350 оС, а по мере продвижения по каналу их температура снижается до 200 оС (рисунок 16). Таким образом, эффективность теплообменника составляет примерно 43 %.

Скорость газов на входе достигает порядка 20 м/с, на выходе – 10 м/с. Хладагент же в сужающихся входных каналах разгоняется до 25-30 м/с (рисунок 15).

Рисунок 14. Картина давления в сечении теплообменника.

Рисунок 15. Картина скорости в сечении теплообменника.

Рисунок 16. Картина температуры в сечении теплообменника.

Список литературы

  1. Алямовский А.А. SolidWorks Simulation. Инженерный анализ для профессионалов. Задачи, методы, рекомендации. – М.: ДМК Пресс, 2015. – 562 с.
  2. Алямовский А.А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 800 с.
  3. Алямовский А.А. Основы расчёта конструкций на прочность в среде SolidWorks. – М.: ДМК Пресс, 2010. – 784 с.
  4. Побелянский А.В. Проектирование авиационных и ракетных двигателей с применением CAD/CAM/CAE – систем: учебное пособие / Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2019 – 62 с.
  5. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учебник для вузов. – 10-е издание, переработанное и дополненное – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. – 592 с.
  6. ГОСТ Р 52857.1-2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования. Дата введения 2007-12-27.
  7. ГОСТ Р 52857.2-2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек. Дата введения 2008-04-01.

Интересная статья? Поделись ей с другими: