В настоящее время наметилось направление по использованию в теплообменных аппаратах турбоустановок, предназначенных для конденсации пара, различных профильных труб, применение которых, по мнению большинства исследователей, позволяет значительно увеличить коэффициент теплопередачи. Однако необходимо решить ряд вопросов, связанных с их тепловыми, гидравлическими и прочностными характеристиками.
В статье приводятся результаты исследования изгибной жесткости витых труб, осваиваемых в настоящее время промышленностью. Изгибиая жесткость Е1 является основной прочностной характеристикой труб, существенно влияющей на параметры их колебаний и профильной витой трубы определяющей надежность работы трубных систем теплообменных аппаратов. Величину момента инерции I сложного профиля, каким является поперечное сечение трубы с винтообразной накаткой (рис. 1), аналитически получить сложно, так как трудно описать формы этого сечения. В связи с этим экспериментально исследована изгибная жесткость витых труб, опытная партия которых (таблица) была изготовлена в лабораторных условиях при помощи специального приспособления, основанного на прокатке гладких труб с использованием системы роликов (форма сечения ролика — полукруг). Все трубы после прокатки, с целью снятия остаточных напряжений, термообрабатывались при температуре —300 °С с дальнейшим отпуском. Отсутствие остаточных напряжений контролировалось методом аммиачной пробы.
Экспериментальная установка представляет собой массивное основание, на противоположных концах которого жестко закреплены зажимные призмы и опорные ножи. Величину усилия зажима трубы в призмах измеряли по стабилизации частоты собственных колебаний трубы, т. е. при увеличении усилия не происходило изменения частоты собственных колебаний, что соответствовало, по нашему мнению, жесткому защеплен и ю трубы.
Изгибную жесткость труб определяли двумя методами — динамическим и статическим. Динамический метод основан на определении частоты собственных колебаний труб с последующим вычислением изгибной жесткости, которую находили для двух вариантов закрепления трубы — консоли и двустороннего защемления. Статическим методом изгибную жесткость определяли по величине прогиба трубы при приложении к ней статической нагрузки.
При определении изгибной жесткости динамическим методом система измерения состояла из индукционного датчика и быстродействующего самопишущего потенциометра Н-338-4. На исследуемую трубу (Л-68) в сечении датчика крепилось стальное кольцо, обеспечивающее необходимое изменение магнитного поля датчика.
Методика измерения была следующей: исследуемая труба возбуждалась при приложении к ней мгновенной нагрузки, датчик фиксировал 1 изменение магнитного поля, которое записывалось на потенциометр. Затем по записанным виброграммам находили частоту собственных колебаний. Для каждой трубы проводили 3 ... 5 измерений с последующим осреднением.
При статическом методе изгибную жесткость труб определяли через прогиб труб на опорных ножах с помощью катетометра КМ-6. Прогиб также контролировался индикатором часового типа с ценой деления 10”6 м. При измерении статического прогиба к среднему сечению трубы последовательно прикладывали нагрузку от 0,50 до 10,00 Н (через 0,50 Н); при каждой нагрузке определяли прогиб трубы, а затем ее изгибную жесткость. Исследовалась изгибная жесткость гладкой трубы, трубы после прокатки и после термообработки.
Изгибная жесткость была определена у 166 образцов-профильных витых труб: 39 образцов исследовали тремя способами с последующим осреднением (разброс-±3 %), 127 образцов — только динамическим методом, при консольном закреплении трубы.
Обработку результатов опытов проводили в соответствии с [6, 7]. На рис. 2 в качестве примера представлена диаграмма жесткости профильных витых труб при различных параметрах накатки. Анализ полученных данных по всей опытной партии показывает, что изгибная жесткость гладких труб из одной партии не всегда согласуется между собой (для труб 14X1, 16Х Х0,75 и 19X1 мм максимальное расхождение — до 10 %, а для труб 24Х 1 мм — 20 %); изгибная жесткость всех исследованных профильных труб меньше их жесткости до прокатки (гладких); изгибная жесткость, профильных труб до и после термообработки осталась практически постоянной (±3 %); на изгибную жесткость профильных витых труб оказывают влияние три геометрические характеристики (шаг 5, глубина Н и ширина А канавки, толщина стенки трубы 6).
На рис. 3 представлена обобщенная зависимость относительной жесткости профильных витых труб (отношение жесткости профильной трубы к ее жесткости до прокатки). Результаты опытов удовлетворительно аппроксимируются зависимостью
Среднее отклонение от аппроксимирующей зависимости составляет ±12%, наибольшее отклонение (до 20%) зафиксировано для труб с малым шагом (5— = 2,4'10“а м) и большой глубиной накатки (Л=1,4Х X 10_3 м). Здесь, по-видимому, существенное значение оказало то, что при указанных параметрах накатки трубы были сильно деформированы.
На рис. 3 представлены опытные данные по жесткости восьми промышленных образцов витых труб (МНЖ-5-1), изготовленных на заводе «Красный выборжец». Их относительную жесткость определяли по отношению к средне-экспериментальной, полученной в данной работе для гладких труб этого же диаметра.
Относительная жесткость промышленных образцов удовлетворительно согласуется с обобщенной зависимостью, полученной по результатам испытаний опытной партии, изготовленной в лабораторных условиях.
Как показывают расчеты по обобщенной зависимости, наиболее сильно влияют на жесткость витых труб шаг и глубина канавки, несколько слабее — ширина канавки. При прочих равных условиях с увеличением шага канавки относительная жесткость витых труб увеличивается (приближается к жесткости гладких), а с увеличением глубины и ширины канавки она уменьшается. Эти результаты полностью соответствуют физическому смыслу и согласуются с существующими по этому вопросу представлениями. Выводы
1. Изгибная жесткость профильных витых труб меньше жесткости соответствующих гладких труб.
2. На изгибную жесткость профильной витой трубы влияют все три геометрические характеристики — 5, Н и Д.
3. В технические условия на изготовление витых труб необходимо ввести дополнительную геометрическую характеристику — ширину канавки.
4. Предлагается обобщенная зависимость для расчета изгибной жесткости профильных труб.
