Способ определения жесткости теплообменника с пучком труб и способ его изготовления Российский патент 2019 года по МПК F28D7/02 F28F1/10 

Настоящее изобретение относится к способу определения жесткости или прочности теплообменника с пучком труб и способу определения состояния, такого как, например, прочность или срок службы теплообменника с пучком труб, и способу изготовления указанного теплообменника.

В теплообменниках с пучком труб множество тонких трубок спирально навиты в несколько слоев вокруг трубы-сердечника. Теплообменники с пучком труб также называют спирально-навитыми теплообменниками. Их обычно используют для обработки текучих сред, таких как жидкости, и они должны выдерживать большие колебания температуры и давления.

При изготовлении, транспортировке и эксплуатации соответствующие теплообменники с пучком труб или материалы, используемые в них, подвержены, в частности, механическим и термическим воздействиям. Например, свойства материала и его толщина должны соответствовать условиям применения и предъявляемым требованиям. В частности, при этом важную роль играет масса множества змеевиковых труб на соответствующей трубе-сердечнике и/или на соответствующем слое змеевика, расположенном ниже.

Было обнаружено, что при изготовлении соответствующих теплообменников с пучком труб нельзя пренебречь внутренними механическими напряжениями. В известных способах изготовления труба-сердечник и частично навитые змеевиковые трубы вращаются вокруг оси пучка. Система, состоящая из трубы-сердечника и змеевиковых труб, которые должны быть навиты вокруг нее, в данном случае подвержена механической нагрузке между опорными точками. В данном случае желательно иметь возможность оценить изменяющуюся прочность полученных теплообменников с пучком труб. Ранее прочность или жесткость таких систем рассчитывали с помощью простых моделей с использованием стержней или эквивалентных цилиндров.

Кроме того, желательно предсказать возникающие механические и термические напряжения в соответствующих теплообменниках с пучком труб во время эксплуатации, чтобы оценить их срок службы, восприимчивость к техническому обслуживанию или стабильность. Поэтому существует потребность в способах моделирования, которые наряду с механическими напряжениями также учитывают термодинамические влияния. Во всех этих способах моделирования особенно необходимо надежное определение жесткости системы с пучком труб.

Таким образом, целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенных возможностей для моделирования и вычислений, чтобы получить представление о теплообменнике с пучком труб.

Указанной цели достигают с помощью способа, признаки которого указаны в п. 1 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения указаны возможные усовершенствования.

Соответственно, предложен способ определения жесткости теплообменника с пучком труб. Рассматриваемый теплообменник с пучком труб включает трубу-сердечник и змеевиковые трубы, навитые вокруг трубы-сердечника с образованием пучка труб, причем змеевиковые трубы навиты в несколько слоев змеевика и при соответствующем угле навивки слоя вокруг трубы-сердечника. При этом выполняют следующие стадии:

определение геометрического параметра прочности соответствующего слоя змеевика, где геометрический параметр прочности включает отношение площади поперечного сечения змеевиковой трубы к площади поперечного сечения ячейки, где площадь поперечного сечения ячейки получена из осевого расстояния змеевиковых труб и внешнего диаметра змеевиковых труб;

корректировка отношения площадей поправочным коэффициентом с целью учета ориентации змеевиковых труб соответствующего слоя змеевика относительно силы тяжести, действующей на змеевиковые трубы; и

определение жесткости соответствующего слоя змеевика в зависимости от скорректированного отношения площадей и модуля упругости материала змеевиковой трубы.

В предлагаемом способе ориентацию змеевиковых труб относительно силы тяжести учитывают с помощью поправочного коэффициента. В определенных производственных ситуациях для теплообменников с пучком труб труба-сердечник проходит горизонтально вдоль осевого направления пучка. Змеевиковые трубы, в частности, в слоях, вносят вклад в прочность теплообменника с пучком труб. В ранее предлагаемых моделях слои змеевика для простоты рассматривали как простые цилиндры круглого сечения, однако при этом влияние спиральной навивки змеевиковых труб было проигнорировано. Теперь предлагается установить поправочный коэффициент в зависимости от угла навивки слоя. В результате достигают улучшенной оценки или улучшенного определения жесткости.

В определенных производственных ситуациях осевое направление пучка проходит вертикально, так что сила тяжести действует векторно вдоль трубы-сердечника. В этой конфигурации влияние силы тяжести на жесткость также учитывают с помощью поправочного коэффициента.

В воплощениях поправочный коэффициент выбирают таким образом, чтобы он был пропорционален синусу угла навивки слоя. В частности, в случае горизонтальной установки трубы-сердечника или горизонтального расположения оси пучка, поправочный коэффициент, который определен как синус угла навивки слоя, приводит к проекции части змеевиковых труб, которая оказывает влияние на жесткость, на ускорение силы тяжести. В этом отношении поправочный коэффициент обеспечивает учет действия векторной составляющей силы тяжести на наклонный змеевик. Жесткость представляет собой, в частности, изгибную жесткость, которая зависит от модуля упругости соответствующего материала змеевиковой трубы. Примерами подходящих материалов являются алюминий и нержавеющая сталь. Однако также возможны и другие материалы.

В этом отношении способ включает одну стадию: расчет изгибной жесткости слоя змеевика пучка труб с использованием прочностной модели эквивалентной трубы, изготовленной из материала змеевиковой трубы, в которой эквивалентная труба соответствует слою змеевика, и масса эквивалентной трубы оценена с учетом отношения площади поперечного сечения змеевиковой трубы к площади поперечного сечения ячейки, где поправочный коэффициент, который зависит от угла навивки, уменьшает изгибную жесткость.

В воплощениях для определения жесткости соответствующего слоя змеевика слой змеевика моделируют как цилиндр круглого сечения, изготовленный из материала змеевиковой трубы. Кроме того, определение отношения площадей и поправочного коэффициента приводит к получению реалистичной модели. То есть, имеется возможность, в частности, при изготовлении теплообменника с пучком труб, задавать расположение поддержки и условия вращения таким образом, чтобы не возникали чрезмерные напряжения в материалах, и теплообменник можно было надежно изготовить.

В воплощениях способ дополнительно включает определение жесткости пучка труб в осевом направлении пучка. При этом определяют изгибную жесткость, с помощью которой можно оценить полученную кривизну вдоль осевого направления пучка. В свою очередь, может быть произведен анализ напряжений.

В воплощениях способ включает по меньшей мере одну из следующих стадий:

определение жесткости трубы-сердечника; и

определение напряжения, действующего на трубу-сердечник, в зависимости от массы змеевиковых труб слоев змеевика и от определенной жесткости слоев змеевика.

Можно сказать, что может быть реализован анализ напряжений для системы теплообменника с пучком труб, состоящей из трубы-сердечника и слоев змеевика, где надежно учтена нагрузка на пучок. В воплощениях анализ напряжений пучка труб осуществляют с помощью метода конечных элементов. Труба-сердечник, пучок труб и/или теплообменник с пучком труб в этом случае расположены горизонтально на двух опорных точках.

Методы конечных элементов позволяют проводить структурные механические расчеты состояний механических систем. Можно, например, использовать коммерческие пакеты программного обеспечения для проведения анализа напряжений на основе предлагаемых методов для определения и оценки жесткости.

В воплощениях слои змеевика разнесены друг от друга радиально с помощью перегородок змеевика. Такие перегородки змеевика, разделяющие слои змеевика, также могут быть приняты во внимание в отношении их вклада в прочность пучка труб.

В воплощениях змеевиковые трубы разнесены друг от друга в направлении оси трубы-сердечника или в осевом направлении пучка на расстояние между центральными точками змеевиковой трубы. В случае постоянного расстояния между центральными точками змеевиковой трубы можно также указать шаг, который определяет степень периодичности ячейки в осевом направлении.

Соответствующая змеевиковая труба может дополнительно иметь внутренний диаметр и внешний диаметр. Тогда площадь поперечного сечения змеевиковой трубы определяют как 1/4×π×разность квадратов внутреннего и внешнего диаметров.

В данном способе, в частности, скорректированную жесткость теплообменника с пучком труб определяют путем выбора усредненного поправочного коэффициента для определения жесткости всех слоев змеевика. Например, угол навивки можно считать одинаковым для всех слоев с целью упрощения последующего расчета или анализа. Альтернативно или дополнительно, поправочный коэффициент также можно принимать как тригонометрическую функцию угла навивки для всех слоев теплообменника с пучком труб.

Круговая линия соответствующей поверхности навивки для змеевиковой трубы и соответствующее направление навивки заключают в себе угол α наклона.

В воплощениях способа определения жесткости определенную жесткость соответствующего слоя змеевика уменьшают с помощью поправочного коэффициента по сравнению с эквивалентной жесткостью, которая получена с помощью отношения площадей и модели жесткости, в которой рассматривают цилиндр круглого сечения. То есть, учет влияния силы тяжести или учет только части змеевиковых труб, вносящей вклад в жесткость относительно осевого направления пучка и/или силы тяжести, позволяет провести более реалистичную оценку или расчет. По сравнению с простыми моделями, в которых не используют какие-либо поправочные коэффициенты, настоящее изобретение обеспечивает более реалистичную жесткость, которая является более низкой, так что имеют место более реалистичное моделирование или имитация при изготовлении теплообменников с пучком труб, при их транспортировке или в случае некоторых рабочих состояний.

Также предложен способ определения состояния теплообменника с пучком труб с целью анализа срока службы. Теплообменник с пучком труб имеет трубу-сердечник и змеевиковые трубы, навитые вокруг трубы-сердечника с образованием пучка труб, причем змеевиковые трубы навиты в несколько слоев змеевика и при соответствующем угле навивки слоя вокруг трубы-сердечника. Жесткость теплообменника с пучком труб определяют с помощью способа, описанного выше или ниже.

Необязательно, в данном случае также возможен учет поправочного коэффициента для переменной, которая должна быть определена, такой как удельная теплоемкость, теплопроводность или коэффициент термического расширения соответствующего слоя змеевика. В частности, при оценке поправочного коэффициента с помощью синуса угла навивки результат представляет собой проекцию влияния змеевиковых труб на соответствующую переменную вдоль оси пучка. Следовательно, термомеханический анализ также можно выполнять более точно и надежно.

В способе изготовления теплообменника с пучком труб змеевиковые трубы навивают вокруг трубы-сердечника в несколько слоев змеевика и при соответствующем угле навивки слоя. При этом во время навивки контролируют жесткость теплообменника с пучком труб с помощью способа, представленного выше или ниже.

В предлагаемых способах угол навивки слоя, в частности, отличен от нуля и составляет от 1° до 50°, предпочтительно от 3° до 10°. Число слоев змеевика составляет, например, от 2 до 200. Внешний диаметр змеевиковых труб составляет, например, от 5 до 200 мм. Модуль упругости материала змеевиковой трубы может составлять от 70000 до 210000 Н/мм².

Кроме того, предложен компьютерный программный продукт, с помощью которого инициируют выполнение способа или способов, которые описаны выше, на устройстве с программным управлением. Выполнение возможно, например, с помощью компьютера или компьютера диспетчерской на производственном предприятии.

Компьютерный программный продукт, такой как, например, компьютерное программное средство, может быть предоставлен или поставлен, например, на носителе данных, таком как, например, карта памяти, USB-накопитель, CD-ROM, DVD или даже в форме загружаемого файла с сервера в сети. Это может иметь место, например, в сети беспроводной связи путем передачи соответствующего файла с компьютерным программным продуктом или компьютерным программным средством.

Способ или способы, в частности, реализованы в программном обеспечении, и последующая ссылка также будут сделана как синоним программного обеспечения для моделирования.

Другие возможные воплощения данного изобретения также включают комбинации признаков или воплощений, описанных выше или ниже, в отношении примерных воплощений, которые не были указаны явно. Специалист в данной области техники также добавит отдельные аспекты в качестве усовершенствований или дополнений к соответствующей базовой форме изобретения.

Другие предпочтительные конфигурации и аспекты настоящего изобретения составляют объект зависимых пунктов формулы изобретения и примерных воплощений данного изобретения, описанных ниже. Изобретение пояснено более подробно далее на основе предпочтительных воплощений со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На Фиг. 1 схематически показано воплощение теплообменника с пучком труб в виде частичного поперечного сечения.

На Фиг. 2 показана схематическая иллюстрация поверхности навивки с целью пояснения угла навивки слоя.

На Фиг. 3 схематически показано воплощение теплообменника с пучком труб в поперечном сечении относительно продольной оси.

На Фиг. 4 показана подробная иллюстрация слоя змеевика в поперечном сечении.

На Фиг. 5 показано воплощение горизонтально установленного теплообменника с пучком труб в продольном сечении.

На Фиг. 6 показана схематическая последовательность стадий способа определения жесткости теплообменника с пучком труб.

На Фиг. 7 и Фиг. 8 показаны горизонтально установленные теплообменники с пучком труб с целью объяснения способа их изготовления.

На данных чертежах элементы, которые идентичны или имеют одну и ту же функцию, снабжены одинаковыми ссылочными обозначениями, если не указано иное.

На Фиг. 1 показано первое примерное воплощение теплообменника 1 с пучком труб. Теплообменники с пучком труб или спирально-навитые теплообменники включают пучки труб, навитые в несколько слоев на трубу-сердечник. Также следует упомянуть спирально-навитые теплообменники, в которых змеевиковые трубы навиты вокруг продольной оси или оси z пучка. На Фиг. 1 показано осевое направление z пучка, вдоль которого проходит труба-сердечник 2. Змеевиковые трубы 3 навиты по спирали вокруг трубы-сердечника 2. На иллюстрации, изображенной на Фиг. 1, показана секция полученного теплообменника 1 с пучком труб.

Первый внутренний слой 5 змеевика включает навитые по спирали змеевиковые трубы 3. Другой слой 6 змеевика, имеющий дополнительные змеевиковые трубы 3', прикреплен радиально снаружи. Змеевиковые трубы 3, 3' могут не прилегать друг к другу непосредственно, они могут быть разнесены друг от друга радиально посредством перегородок.

Хотя на Фиг. 1 показаны только два слоя 5, 6 змеевика, воплощения теплообменников с пучком труб имеют до 100 слоев.

Как показано на Фиг. 1, ось z пучка проходит горизонтально. В частности, при изготовлении соответствующих теплообменников 1 с пучком труб змеевиковые трубы 3, 3' навивают изнутри наружу. При этом создают несколько слоев 5, 6 змеевика. При эксплуатации и использовании на месте такие теплообменники 1 с пучком труб обычно устанавливают вертикально. То есть, теплообменники подвергаются определенным механическим нагрузкам поперек их осевой протяженности только при изготовлении и, например, при транспортировке на грузовом автомобиле или товарном поезде. Это, в частности, связано с силами, действующими на трубу-сердечник 2 и внутренние слои 5 змеевика, из-за тяжести слоев 6 змеевика, находящихся сверху. Соответствующие теплообменники с пучком труб могут иметь массу от 2 до 300 тонн и диаметр, составляющий несколько метров. Алюминий или нержавеющую сталь обычно используют в качестве материалов для змеевиковых труб.

Чтобы при изготовлении и при транспортировке пучки 4 труб и труба-сердечник 2 не были повреждены и не подвергались чрезмерной нагрузке, желательно определить или заранее оценить прочность или жесткость полученной системы, состоящей из трубы-сердечника 2 и пучка 4 труб. Для этой цели может быть выполнено моделирование. Исследования, проведенные заявителем, показали, что в данном случае, в частности, важное значение имеет влияние пучков 5, 6 труб на жесткость вдоль оси z пучка, и в данном случае следует учитывать только векторный вклад по отношению к ускорению силы тяжести g, как показано на Фиг. 1.

На Фиг. 2 схематически показана поверхность 7 навивки с целью пояснения угла α навивки. Поверхность 7 навивки представляет собой поверхность воображаемого цилиндра круглого сечения с продольной осью z, на которую навит соответствующий пучок 5 труб (см. Фиг. 1). На Фиг. 2 показана единственная труба 3 с направлением W навивки. Пунктирная линия U соответствует круговой линии поверхности 7 навивки. На Фиг. 2 показана развернутая боковая поверхность соответствующего цилиндра, то есть верхняя и нижняя границы 7А совпадают на боковой поверхности. Угол α, который упоминается как угол навивки, образован круговой линией U и направлением W навивки.

Таким образом, на механическую прочность или жесткость вдоль осевого направления z, то есть вдоль оси пучка, оказывает влияние не весь материал с его модулем упругости, а только проекция на ось z. Для того чтобы, в частности, определить изгибную жесткость системы в целом, в этом отношении недостаточно рассматривать слои 5, 6 змеевика, как показано на Фиг. 1, в виде труб или цилиндров. Исследования, проведенные заявителем, фактически показали, что для реалистичного определения прочности или жесткости необходимо учитывать поправочный коэффициент.

На Фиг. 3 схематически показано поперечное сечение относительно продольной оси z теплообменника с пучком труб, где радиально изнутри наружу сначала расположена труба-сердечник 2. На нее навиты первый слой 5 змеевика со змеевиковыми трубами, второй слой 6 змеевика, третий слой 8 змеевика и четвертый внешний слой 9 змеевика. Для радиального разделения между первым и вторым слоями змеевика предусмотрены перегородки 10. Таким же образом дополнительные перегородки 11, 12 предусмотрены между вторым и третьим слоями 6, 8 змеевика и между третьим слоем 8 змеевика и четвертым внешним слоем 9 змеевика.

Ранее жесткость полученного теплообменника 1 с пучком труб определяли с помощью эквивалентных цилиндров в виде слоев 5, 6, 8, 9 змеевика с оценкой отношения площади змеевиковых труб к площади периодических ячеек. Это не всегда было надежным и поэтому, чтобы принять во внимание силу тяжести, действующую на змеевиковые трубы, предложен поправочный коэффициент, в частности, для определения отношения площадей.

На Фиг. 4 показан детальный вид слоя 5 змеевика. Здесь на чертеже показано поперечное сечение змеевиковых труб 3. На Фиг.4 горизонтальная ось проходит вдоль осевого направления z пучка, а радиальное расстояние r направлено вверх. Показано поперечное сечение трубы-сердечника 2, на которую навиты змеевиковые трубы 3 первого слоя 5 змеевика. Змеевиковые трубы 3 имеют соответствующие центральные точки М и площади кольцевого поперечного сечения, в каждом случае заданные внутренним радиусом r_i и внешним радиусом r_а. Таким образом, имеются внутренний диаметр d_i и внешний диаметр d_a, как показано слева на Фиг. 4. Радиальная протяженность слоя 5 змеевика в этом случае соответствует внешнему диаметру d_a. Можно также заметить, что центральные точки М повторяются регулярным образом и отстоят друг от друга на осевое расстояние Т. Таким образом, можно определить периодическую ячейку 13, которая обусловлена расстояниями Т между центральными точками змеевиковых труб. Ячейка обозначена штрихпунктирной линией 13. Перегородка 10 змеевика, которая может быть смоделирована, например, как цилиндр, прикреплена радиально снаружи.

Для оценки прочности или жесткости полученного теплообменника с пучком труб рассматривают отношение площади А_р элементарной ячейки 13 к полученной площади А_r поперечного сечения змеевиковой трубы. Площадь А_r поперечного сечения змеевиковой трубы может быть определена как А_r=1/4×π×(d_a²-d_i²).

Площадь А_р поперечного сечения ячейки составляет: А_р=Т×d_a. Отношение А_р/А_r является важным параметром для определения жесткости слоя 5 змеевика. Кроме того, однако, также учитывают угол α навивки (не показан на Фиг. 4). Заявитель обнаружил, что при моделировании жесткости учет только отношения площадей А_р/А_r приводит к более высоким значениям, чем на самом деле. Следовательно, часть змеевиковых труб слоя змеевика проецируется на продольную ось. Это приводит к поправочному коэффициенту sin α<1, посредством чего получают реалистичный результат при дальнейших расчетах жесткости или изгибной жесткости. В частности, при изготовлении или при транспортировке теплообменников с пучком труб нагрузка на трубу-сердечник из-за воздействия пучков труб и смонтированной опоры может быть учтена лучшим образом.

Предложенное отношение площадей А_р/А_r с поправочным коэффициентом sin α можно принять во внимание при дальнейшем численном анализе напряжений, например, с помощью методов конечных элементов. Кроме того, включены дополнительные параметры материала, такие как модуль упругости соответствующего материала змеевиковых труб. В примерных воплощениях шаг или осевая протяженность ячейки составляет 18 мм, а змеевиковые трубы имеют внешний диаметр 15 мм. В результате площадь А_р поперечного сечения ячейки равна 270 мм². Если внутренний диаметр змеевиковой трубы составляет 14,1 мм, то площадь поперечного сечения змеевиковой трубы будет составлять 20,57 мм². Угол навивки составляет, например, 5°, поэтому поправочный коэффициент равен sin 5°.

На Фиг. 5 показано еще одно примерное воплощение 5 теплообменника с пучком труб при изготовлении. При изготовлении соответствующую змеевиковую трубу 5, 6, 8, 9 навивают слоями на трубу-сердечник 2, которую поддерживают в двух опорных точках 15 и 16 посредством опор 14. В данном случае полученный пучок 4 труб вращается вокруг оси z или оси z пучка. В данном случае может быть навито до 100 слоев. В частности, в случае такого горизонтального монтажа сила тяжести g действует на трубу-сердечник 2. Как уже было указано выше, жесткость для соответствующего слоя 5, 6, 8, 9 змеевика вычисляют из отношения площадей А_р/А_r и поправочного коэффициента, который учитывает компонент прочности змеевиковых труб по отношению к силе тяжести g, и модуля упругости материала змеевиковых труб. Материал труб может, например, иметь модуль упругости 190000 Н/мм². Изгибная жесткость может быть оценена соответствующим образом и использована для дальнейшей обработки, например, с помощью метода конечных элементов.

На Фиг. 6 показана, в качестве примера, последовательность способа определения жесткости теплообменника с пучком труб, как он изображен на других чертежах. На первой стадии S1 способа создают модель, например, слой змеевика имитируют или моделируют как эквивалентный цилиндр круглого сечения. На стадии S2 указанную базовую модель улучшают с помощью соответствующего поправочного коэффициента. Для этой цели определяют геометрический параметр прочности для соответствующего слоя змеевика из отношения площадей А_р/А_r и поправочного коэффициента в зависимости от угла навивки, например, sin α. Наконец, на стадии S3 выполняют вычисление методом конечных элементов для определения жесткости всей системы теплообменника с пучком труб с трубой-сердечником и пучком, например, с помощью коммерческого программного пакета. Результат расчета жесткости можно использовать для анализа срока службы, например, для определения напряжений в теплообменнике с пучком труб. Это показано как необязательная стадия S4.

Например, жесткость можно определять непрерывно, даже при навивке змеевиковых труб и, как следствие, можно адаптировать производственные параметры, такие как скорость навивки или угол навивки. Это показано на Фиг. 6 возвратной пунктирной стрелкой со стадии S4.

На Фиг. 7 и 8 схематически показаны результаты структурного механического расчета на основе определенных жесткостей слоев змеевика. На Фиг. 7 снова показан смонтированный пучок труб, который навит на трубу-сердечник 2. В данном случае пучок 19 труб, как показано подробно на Фиг. 7, имеет множество слоев 3, 3' змеевика, которые навиты на трубу-сердечник 2 и которые разнесены друг от друга радиально посредством перегородок 10, 11 змеевика. В такой ориентации, как показано на Фиг. 7, ось z пучка проходит горизонтально, а труба-сердечник 6 снабжена опорной пластиной 17 и прокладкой 18 для пучка 19 труб на трубе-сердечнике 2. На Фиг. 7 показана ориентация продольной оси z при изготовлении или при транспортировке на двух опорных точках 15, 16. В последующем применении ось разворачивают вертикально, так что опорная пластина 17 вместе с прокладкой поддерживают пучок 19 труб и являются опорой для него.

При изготовлении определенные силы воздействуют на трубу-сердечник 2 и сам пучок 19' труб между опорными точками 15, 16 из-за массы пучка 19 труб, как показано на Фиг. 8. Вследствие результирующей изгибной жесткости пучка 19' труб, который включает дополнительные слои змеевика, имеется кривизна или определенное провисание между опорными точками 15, 16, как показано на Фиг. 8. Благодаря определению жесткости слоев змеевика в пучке труб 19, 19', теперь становится возможным определение напряжения в системе, например, с помощью метода конечных элементов. Как показали исследования, проведенные заявителем, результат представляет собой конкретное напряжение механической системы теплообменника с пучком труб в определенных областях.

Благодаря моделированию и оценке или расчету прочности и жесткости эти численные анализы напряжений могут быть надежно выполнены при обработке и изготовлении, а также при транспортировке. То же самое касается транспортировки, например, на грузовом автомобиле, где теплообменники с пучком труб установлены горизонтально. Кроме того, с помощью аналогичных поправочных коэффициентов, которые моделируют проекцию в осевом направлении, возникает возможность корректировать дополнительные параметры моделирования. Можно предположить, например, что теплопроводность вдоль оси z пучка или коэффициенты термического расширения будут рассчитаны соответственно более реалистичным образом. В результате термомеханический анализ теплообменника с пучком труб будет более простым и более надежным.

Хотя настоящее изобретение было объяснено более подробно с использованием примерных воплощений, оно может быть изменено различными способами. Указанные размеры и число слоев змеевика следует понимать просто как пример. Кроме того, дальнейшее усовершенствование численного моделирования может происходить за пределами геометрического параметра прочности и поправочного коэффициента для учета силы тяжести. Кроме того, жесткость под действием силы тяжести может быть определена также в случае вертикально расположенных теплообменников с пучком труб, хотя в проиллюстрированных примерных воплощениях в основном предполагается горизонтальное расположение. В частности, при эксплуатации соответствующего теплообменника с пучком труб (после его изготовления и транспортировки до места использования) ось трубы-сердечника проходит вертикально.

Даже в этом случае вышеупомянутые способы с векторным учетом силы тяжести, а также расположения и протяженности змеевиковых труб относительно ускорения силы тяжести, служат для надежного определения прочности и жесткости.

Используемые обозначения:

α Угол навивки

А_r Площадь поперечного сечения змеевиковой трубы

А_р Площадь поперечного сечения ячейки

d_i Внутренний диаметр змеевиковой трубы

d_a Внешний диаметр змеевиковой трубы

g Ускорение силы тяжести

r Радиальное направление

Т Расстояние / шаг между центрами змеевиковых труб

U Круговая линия

W Направление навивки

z Ось пучка / осевое направление

1 Теплообменник с пучком труб

2 Труба-сердечник

3 Змеевиковая труба

4 Пучок труб

5, 6 Слой змеевика

7 Поверхность навивки

7А Граничная линия

8, 9 Слой змеевика

10, 11, 12 Перегородки

13 Ячейка

14 Опора

15, 16 Опорные точки

17 Опорная пластина

18 Прокладка

19 Пучок труб

51 Моделирование

52 Определение поправочного коэффициента

53 Расчет методом конечных элементов

54 Навивка и адаптация модели

Способ определения жесткости теплообменника (1) с пучком труб, который включает трубу-сердечник (2) и змеевиковые трубы (3), навитые вокруг трубы-сердечника (2) с образованием пучка труб, причем змеевиковые трубы (3) навиты в несколько слоев (5, 6) змеевика и при соответствующем угле (α) навивки слоя вокруг трубы-сердечника (2), включающий следующие стадии: определение геометрического параметра прочности соответствующего слоя (5) змеевика, где геометрический параметр прочности включает отношение площади (А_r) поперечного сечения змеевиковой трубы к площади (А_р) поперечного сечения ячейки, где площадь (А_р) поперечного сечения ячейки получена из осевого расстояния (Т) змеевиковых труб (3) и внешнего диаметра (d_a) змеевиковых труб (3); корректировка отношения площадей с помощью поправочного коэффициента с целью учета ориентации змеевиковых труб (3) соответствующего слоя змеевика относительно силы тяжести (F_g), действующей на змеевиковые трубы; и определение жесткости соответствующего слоя (5) змеевика в зависимости от скорректированного отношения площадей и модуля упругости материала змеевиковой трубы. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ определения жесткости теплообменника (1) с пучком труб, который включает трубу-сердечник (2) и змеевиковые трубы (3), навитые вокруг трубы-сердечника (2) с образованием пучка труб, причем змеевиковые трубы (3) навиты в несколько слоев (5, 6) змеевика и при соответствующем угле (α) навивки слоя вокруг трубы-сердечника (2), включающий следующие стадии:

определение геометрического параметра прочности соответствующего слоя (5) змеевика, где геометрический параметр прочности включает отношение площади (A_r) поперечного сечения змеевиковой трубы к площади (А_р) поперечного сечения ячейки, где площадь (А_р) поперечного сечения ячейки получена из осевого расстояния (Т) змеевиковых труб (3) и внешнего диаметра (d_a) змеевиковых труб (3);

корректировка отношения площадей поправочным коэффициентом с целью учета ориентации змеевиковых труб (3) соответствующего слоя змеевика относительно силы тяжести (F_g), действующей на змеевиковые трубы; и

определение жесткости соответствующего слоя (5) змеевика в зависимости от скорректированного отношения площадей и модуля упругости материала змеевиковой трубы.

2. Способ по п. 1, где поправочный коэффициент выбирают пропорциональным синусу угла (α) навивки слоя.

3. Способ по п. 1 или 2, где для определения жесткости соответствующего слоя (5) змеевика слой (5) змеевика моделируют как цилиндр круглого сечения, изготовленный из материала змеевиковой трубы.

4. Способ по одному из пп. 1-3, дополнительно включающий определение жесткости пучка (4) труб в осевом направлении (z) пучка.

5. Способ по одному из пп. 1-4, дополнительно включающий:

определение жесткости трубы-сердечника (2) и

определение напряжения, действующего на трубу-сердечник (2), в зависимости от массы навитых змеевиковых труб (3) слоев (5, 6) змеевика и от определенной жесткости слоев (5, 6) змеевика.

6. Способ по одному из пп. 1-5, дополнительно включающий проведение анализа напряжений пучка (4) труб с помощью метода конечных элементов, где труба-сердечник (2), пучок (4) труб и/или теплообменник (1) с пучком труб расположены горизонтально на двух опорных точках (15, 16).

7. Способ по одному из пп. 1-6, где слои (5, 6) змеевика разнесены друг от друга радиально с помощью перегородок (10, 11, 12) змеевика.

8. Способ по одному из пп. 1-7, где змеевиковые трубы (3) разнесены друг от друга в направлении оси (z) трубы-сердечника на расстояние (Т) между центральными точками змеевиковых труб.

9. Способ по одному из пп. 1-8, где соответствующая змеевиковая труба (3) имеет внутренний диаметр d_i и внешний диаметр d_a, а площадь A_r поперечного сечения змеевиковой трубы определяют как: A_r=0,25×(d_a²-d_i²)×π.

10. Способ по одному из пп. 1-9, где скорректированную жесткость теплообменника (1) с пучком труб определяют путем выбора усредненного поправочного коэффициента для определения жесткости всех слоев (5, 6, 8, 9) змеевика.

11. Способ по одному из пп. 1-10, где круговая линия (U) соответствующей поверхности (7) навивки для змеевиковой трубы (3) и соответствующее направление (W) навивки заключают в себе угол (α) навивки.

12. Способ по одному из пп. 1-11, где определенная жесткость соответствующего слоя (5, 6) змеевика уменьшена с помощью поправочного коэффициента по сравнению с эквивалентной жесткостью, которую получают с помощью отношения площадей и модели жесткости, в которой рассматривают цилиндр круглого сечения.

13. Способ определения состояния теплообменника (1) с пучком труб с целью анализа его срока службы, причем указанный теплообменник включает трубу-сердечник (2) и змеевиковые трубы (3), навитые вокруг трубы-сердечника (2) с образованием пучка (4) труб, причем змеевиковые трубы (3) навиты в несколько слоев (5, 6) змеевика и при соответствующем угле (α) навивки слоя вокруг трубы-сердечника (2), в котором жесткость теплообменника (1) с пучком труб определяют с помощью способа по одному из пп. 1-12.

14. Способ по п. 13, в котором дополнительно определяют удельную теплоемкость, теплопроводность и/или коэффициент термического расширения соответствующего слоя (5, 6) змеевика с учетом поправочного коэффициента.

15. Способ изготовления теплообменника (1) с пучком труб, в котором змеевиковые трубы (3) навивают в несколько слоев (5, 6) змеевика и при соответствующем угле (α) навивки слоя вокруг трубы-сердечника (2), причем при навивке жесткость теплообменника (1) с пучком труб контролируют с помощью способа по одному из пп. 1-12.