6.3. Обоснование высоты ребра интенсификатора

Рёбра, имеющие, как правило, форму пластин (рис. 6.7), одной стороной плотно за­крепляются к теплоотдающей поверх­ности с помощью сварки, пайки или изготовляются как целое со стенкой. Ребристыми выполняют радиаторы отопления, корпуса двигателей и ре­дукторов, радиаторы для охлаждения воды в двигателях внутреннего сгорания и т. д.

Рис. 6.7. Оптимизация высоты ребра

Термическое сопротивление теп­лоотдачи R_2 за счет оребрения по­верхности уменьшается пропорцио­нально коэффициенту ореб­рения (отношению площади оребренной поверхности F_ор к площади глад­кой поверхности F_гл до ее оребрения) К_ор== F_ор /F_гл и рассчитывается по обычному соотношению R_ор== 1 / ( ₂ F_ор), но только в том случае, когда термическое сопротивление теплопроводности самих ребер зна­чительно меньше термического со­противления теплоотдачи от них:

где l_р - длина ребра;

S_р - площадь поперечного сечения ребра;

S_TO - площадь поверхности ребра.

При большом термическом сопротивлении теплопроводности ребер температура по мере удаления от основания ребра приближается к температуре теплоносителя, и концы ребер работают неэффективно.

Температурный напор t_л< 5-10^о С считается нецелесообразным, так как приводит к значительному увеличению поверхности теплообмена (ребер).

Из этого следует, что высота ребра не должна быть больше:

.

7. Проблемы конструирования трубчатки

При конструировании трубчатки приходится решать несколько очень важных для надежности проектируемого аппарата вопросов:

• форма, техника и технология заделки трубок в коллекторы;

• компенсация температурных расширений, возникающих в аппарате в нормальных и аварийных условиях эксплуатации;

• дистанционирование теплообменных трубок в пучке.

7.1. Заделка трубок в коллектор

Обычно поверхность коллектора, распределяющая теплоноситель по трубкам, выполняется в виде цилиндра или плоской пластины (трубной доски).

В зависимости от режима работы и выбранного металла, трубные доски толщиной менее 100 мм изготавливаются из листа, но при больших толщинах или при тяжелых условиях эксплуатации из кованых дисков. Если трубные доски изготавливаются не из углеродистых или низколегированных сталей, следует предусмотреть использование плакирующего металла. Этот способ может оказаться экономичнее, особенно при больших толщине и диаметрах.

Плакированная трубная доска состоит из опорной пластины, выполненной из углеродистой или низколегированной стали толщиной, необходимой для заданных расчетных значений температуры и давления, и покрытой слоем требуемого металла. Покрытие может иметь толщины соответственно 3, 5, 9 мм. Хотя плакирующий металл может быть наварен, широко применяют трубные доски с взрывным напылением, поскольку этот способ обеспечивает высоко­эффективную связь без загрязнения покрытия основным металлом. Кроме того, взрывное напыление обеспечивает намного больше комбинаций плакирующих и основных металлов по сравнению с процессом нанесения слоя свар­кой.

Использование плакированных трубных досок становится существенным тогда, когда нет металла коррозионно-стойкого к теплоносителям в межтрубном пространстве и в трубном пучке или стоимость его слишком высока.

Способы заделки труб

Существует несколько способов заделки труб. Некоторые из них рассмотрим ниже:

1. Развальцовка является широко распространенным способом крепления концов труб (рис. 7.1). При этой операции сила, возникающая от вальцовочного инструмента, деформирует трубу в радиальном направлении с образованием механического уплотнения между трубой и отверстием. Раззенкованное отверстие представляет собой почти оптимальные условия для такого соединения. При давлениях выше 2 МПа или температурах выше 180°С для всех классов трубных досок по нормам необходимо сделать по крайней мере две расширительные канавки 2-3 мм шириной и 0,4 мм глубиной. При более низких температурах и давлениях канавки не обязательны, однако очень часто их делают, поскольку они обеспечивают осевую прочность.

Очень важно чтобы развальцовка трубы не распространялась дальше, чем на 3 мм от внутренней поверхности трубной доски, чтобы избежать выпучивания трубы.

2. Взрывное вальцевание. При взрывном вальцевании взрывной заряд помещается внутри трубы в толще трубной доски. Под действием взрыва труба деформируется в радиальном направлении, пока не обожжет отверстие. В этом случае можно получить прочные соединения, чего трудно достичь обычным вальцеванием. Процесс взрывного вальцевания не зависит от состояния трубы и отверстия и может применяться при бесформенных, больших и загрязненных отверстиях. Внутренний диаметр трубы не должен быть меньше 10 мм. Взрывное вальцевание из-за его высокой стоимости оправдано там, где обычное вальцевание не дает удовлетворительные результаты.

3. Дуговая сварка по внешней поверхности. В зависимости от диаметра труб, толщины и сорта металла развальцованное соединение может выдерживать давления 20 МПа при гидростатических испытаниях. Однако условия, при которых проводятся испытания, легче рабочих условий, когда ослабление развальцованного соединения воз­никает в результате колебании давления и температуры, а также вибрации. Сварку концов труб следует производить тогда, когда необходимо избежать утечки, особенно если на концах труб может возникать тепловой удар или они подвержены циклическому нагреву, воздействию вибрации или большому перепаду давления, например, 6 МПа. Сварка также является наилучшим способом крепления при использовании толстостенных труб и работе в напря­женных условиях.

Перед сваркой не следует делать развальцовки конца трубы, так как в этом случае шов получается пористым. Следует избегать сильного довальцевания после сварки. Небольшая довальцовка в стороне от сварного шва вполне допустима для более тесного контакта с отверстием и рекомендуется в тех слу­чаях, когда возможно возникновение щелевой коррозии или вибрации.

4. Взрывная сварка аналогична взрывному вальцеванию. Различные комбинации металлов трубы и трубной доски, которые нельзя свари­вать обычными методами, можно сварить взрывным спосо­бом. Соединение, сваренное таким образом, превосходит обычно сваренное по всем параметрам - прочности, усталостной прочности и давлению.

5. Дуговая сварка по внутренней поверхности. Во всех случаях крепление концов труб, описанное выше, всегда существует отрезок трубы длиной от 3 до 5 мм, который не контактирует с отверстием на внутренней поверхности трубной доски и бесполезно пытаться заделать этот зазор. В нем может возникать и развиваться щелевая коррозия.

Рис. 7.1. Схема заделки трубки: а) – общий вид заделки; б) – с закругленной кромкой; в) – со скошенной кромкой. 1 – трубная доска; 2 – канавки для случая вальцовки; 3 – место концентрации напряжений; 4 – теплообменная трубка

Немаловажную роль в заделке трубок (рис. 7.1) играет форма наружной кромки отверстия в трубной доске. От его формы (рис. 7.1,б, 7.1,в) зависит уровень напряжений, возникающих в месте сопряжения трубки и трубной доски. Эта кромка предотвращает возникновение перерезывающих сил и увеличивает долговечность заделки. Наилучшей считается заделка с закругленной кромкой, однако по технологическим соображениям ее иногда заменяют на скошенную.