Теплообменные аппараты составляют особенно многочисленную группу оборудования на нефтеперерабатывающих заводах. Особо широкое распространение в промышленности имеют кожухотрубчатые теплообменники. Одним из основных элементов таких аппаратов являются трубные решетки, которые представляют собой перфорированные диски, с расположенными в определенном порядке сквозными отверстиями. В последних крепятся концы теплообменных труб.

В данной работе представлен расчет напряженно-деформированного состояния трубной решетки и эквивалентного диска аналогичных размеров методом конечных элементов с применением ПК ANSYS, а также сравнительный анализ полученных результатов.

Исходные данные: условный диаметр решетки 800 мм, толщина решетки 45 мм, отверстия расположены по вершинам треугольника, диаметр отверстий 25 мм, шаг отверстий 32 мм, количество отверстий n = 511. Диаметр диска 800 мм, толщина диска 45 мм.

Материал – сталь 25. Свойства стали: модуль упругости Е – 2,01 ∙ 10⁵ МПа, коэффициент Пуассона ν = 0,3, плотность ρ = 7850 кг/м³, предел текучести σ_т = 247 МПа, предел прочности σ_в = 442 МПа. Для аппроксимации истинной зависимости напряжений от деформаций
«σ – ε» была принята мультилинейная зависимость.

Предполагается, что давление в трубном пространстве р_т больше давления в корпусе р_к, таким образом на решетку действует разность этих давлений: р = р_т – р_к. Примем p = 1 МПа.

На диск действует эквивалентное давление, при котором суммарная нормальная сила, действующая на диск, равна суммарной нагрузке на трубную решетку при рабочем давлении. Эквивалентное давление определяется по формулее:

(1)

где D_Т.Р. – диаметр трубной решетки;

d – внешний диаметр трубок;

n – число трубок;

D_Д. – диаметр диска.

После подстановки в формулу (1) соответствующих значений получаем р’ = 0,5 МПа.

Схема нагружения решетки приведена на рисунке 1, схема нагружения диска – аналогична.

Рисунок 1 – Твердотельная модель и схема нагружения трубной решетки.

Распределения эквивалентных (по теории Мизеса) напряжений в трубной решетке, полученные в результате расчета показаны на рисунках 2 и 3. На рисунке 4 показано изменение напряжений вдоль радиуса. На рисунке 5 показано изменение прогиба решетки и диска вдоль радиуса при давлении на решетку 1 МПа.

Максимальное напряжение в решетке составляет 81,4 МПа, максимальное напряжение в диске – 54,2 МПа. Зоны максимальных напряжений располагаются в центральной части и на периферии около места закрепления (в трубной решетке вблизи крайних отверстий).

Рисунок 2 – Распределение эквивалентных напряжений по поверхности трубной решетки