Проблема устойчивости вертикальной трубы
Вертикальные трубы теплообменника из ПТФЭ подвергаются сжимающим нагрузкам от двух источников: веса самих трубок (собственный-вес, действующий вниз) и ограничения теплового расширения (трубка хочет расшириться вниз, но удерживается коллекторами, создавая сжимающее напряжение). В вертикальном положении трубы представляют собой сжимаемые колонны. Если длина без опоры между опорами слишком велика, трубы прогнутся вбок.
Испучивание в трубках из ПТФЭ является эластичным-, материал не поддается деформации до коробления. Критическая потеря устойчивости для тонкой колонны определяется формулой Эйлера: P_crit=π² × E × I / (K × L)², где E — модуль упругости ПТФЭ при рабочей температуре, I — момент инерции площади поперечного сечения трубы, K — коэффициент эффективной длины (1,0 для штифтовых концов, 0,5 для фиксированных концов), а L — свободная длина между опорами.
Чтобы предотвратить коробление, фактическая сжимающая нагрузка на каждую трубку должна быть меньше критической нагрузки, деленной на коэффициент запаса прочности (обычно 3-4 для ПТФЭ, чтобы учесть низкий модуль упругости и возможность ползучести).
Расчет нагрузки и поддержки
Сжимающая нагрузка на вертикальную трубу возникает в первую очередь из-за ограниченного теплового расширения. Сила теплового расширения равна: F=A × E × × ΔT, где A — площадь поперечного сечения трубы, -, E — модуль упругости, — коэффициент теплового расширения, а ΔT — повышение температуры. Эта сила представляет собой нагрузку, которая потребуется для полного ограничения расширения.
На практике концы труб не полностью закреплены-, коллекторы и опорная рама имеют некоторую податливость. Фактическая сжимающая нагрузка составляет часть полностью ограниченного значения, но в целях проектирования для обеспечения консерватизма используется полностью ограниченная нагрузка.
Для трубки из ПТФЭ с внешним диаметром 10 мм × 1 мм и длиной 2 метра, нагретой от 25 до 140 градусов (ΔT=115 градусов), с E=400 МПа при средней температуре,=120 × 10⁻⁶/градус, полностью ограниченная сжимающая сила составляет примерно 14 Н. Эйлерова нагрузка на изгиб для трубы длиной 2- метра закрепленный-конец колонны этой трубки примерно на 2,5 Н — намного меньше, чем сила теплового расширения. Трубка может прогнуться, если ее не поддерживать по всей длине.
| Количество опор (пролетов) | Неподдерживаемая длина (мм) | Критическая потеря устойчивости (Н) | Коэффициент безопасности (P_crit / P_actual) |
|---|---|---|---|
| 0 (полная длина) | 2,000 | 2.5 | 0,2 (пряжки) |
| 1 (поддержка средней точки) | 1,000 | 10 | 0,7 (пряжки) |
| 2 (два промежуточных) | 667 | 22.5 | 1,6 (предельно) |
| 3 (три промежуточных) | 500 | 40 | 2,9 (приемлемо) |
| 4 (четыре промежуточных) | 400 | 62.5 | 4,5 (консервативный) |
Конструкция опоры для вертикальных трубок
Промежуточными опорами для вертикальных труб обычно являются направляющие пластины из ПТФЭ с прорезями. Прорези позволяют трубке скользить в осевом направлении во время теплового расширения, предотвращая при этом боковое смещение. Зазор прорези на наружном диаметре трубки составляет 0,5-1,0 мм — этого достаточно для свободного скольжения и достаточно туго, чтобы обеспечить боковую поддержку до того, как трубка значительно отклонится.
Направляющие пластины крепятся на вертикальной опорной раме с расчетными интервалами. Сама рама должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечить фиксированные точки опоры-гибкая рама лишает смысла промежуточные опоры, позволяя точкам опоры перемещаться вбок.
Для очень длинных вертикальных труб (3-5 метров) самые верхние опоры должны быть рассчитаны на вес трубы, чтобы предотвратить накопление полного веса в виде сжимающей нагрузки внизу. Весовые опоры-хомуты или зажимы на трубе, опирающиеся на направляющую пластину, позволяют через определенные промежутки времени переносить вес трубы на раму, не допуская попадания совокупного веса на нижние секции.
Краткое содержание
Оптимальное количество точек опоры труб для вертикального теплообменника из ПТФЭ определяется методом Эйлера на выпучивание трубы под действием ограниченной нагрузки при тепловом расширении. Для трубы диаметром 2 метра и внешним диаметром 10 мм при повышении температуры на 115 градусов три или четыре промежуточные опоры обеспечивают достаточную защиту от коробления. Опоры представляют собой направляющие пластины из ПТФЭ с прорезями, которые допускают осевое тепловое перемещение и предотвращают боковое отклонение. Весовые опоры, расположенные через определенные промежутки времени, предотвращают совокупную весовую нагрузку на нижние секции трубы.
Инженерная поддержка для структурного проектирования вертикального теплообменника из ПТФЭ доступна при предоставлении размеров труб, рабочей температуры, длины труб и конфигурации коллектора.
