Application of the software system of Ansys finite-element analysis for computer modeling of residual stress of head s for vertical-grids devices


Cite item

Abstract

The paper deals with the bearing capacity of heads with vertical contact grids (VGD). The main structural parameters affecting the strength properties of the head are found. A model of a VGD head is developed, its adequacy being checked. As the modeling result, the dependency of a contact-point ultimate load on the mass-exchanger design structural parameters is obtained. The maximum permissible distance between the gussets is determined which allows the head`s cost to be reduced while retaining its required strength.

Full Text

Насадка с вертикальными контактными решетками (АВР) относится к современным регулярным массообменным насадочным устройствам, таким как насадки фирм SULZER, NORTON и др., и представляет одно из наиболее перспективных направлений развития массообменной аппаратуры. При этом помимо высокой эффективности насадка АВР должна обладать достаточной механической прочностью, позволяющей выдерживать нагрузки как от веса самой насадки, так и от воздействия газовых и жидкостных потоков в ее объеме. В связи с многообразием конструктивных размеров насадки АВР, изготавливающейся в соответствии с существующими техническими требованиями [1], проведение механических методов определения несущей способности массообменного устройства связано со значительными финансовыми затратами. Однако использование программной системы конечно-элементного анализа ANSYS позволило упростить процедуру определения предельно допустимых нагрузок на элементы насадки АВР. Моделирование проводилось в несколько этапов: - разработка геометрических моделей; - построение конечно-элементной схемы с учетом физических свойств материала; - выполнение расчетов и обработка результатов. Насадка АВР представляет собой «массообменное контактное устройство (рис. 1), включающее вертикальные контактные решетки и прилегающие к ним зигзагообразные перегородки с косынками [2]. На основании конструкции насадки была проведена разработка геометрических моделей (рис. 2) с учетом требований технических условий. Варьировались высота контактной камеры элемента насадки (60 и 80 мм), толщина металла (0,6, 0,8 и 1,0 мм) и расстояние между косынками (от 60 до 360 мм). На втором этапе на основе геометрических моделей были разработаны конечно-элементной схемы элементов насадки с учетом физических свойств материала. В качестве основного материала [1] использовалась сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72 со следующими свойствами: - модуль упругости - 1,98×105 МПа; - предел текучести - 276 МПа; - коэффициент Пуассона - 0,3; - плотность - 7920 кг/м3. Дальнейшее исследование заключалось в определении предельно допустимых нагрузок насадки АВР, при которых сохраняется ее полная работоспособность. В качестве предельной нагрузки было решено считать нагрузку, при которой достигается предел текучести в любом элементе модели. При этом несущая способность элемента насадки АВР еще полностью не исчерпывается (рис. 3). В результате проведенной работы было получено выражение, позволяющее определить предельную нагрузку на одну точку контакта элемента насадки АВР (кг): , (1) где - расстояние между косынками, м; - толщина металла, м; - коэффициенты, характерные для определенного размера контактной камеры насадки. Рис. 3. Зависимость максимальных напряжений и деформаций по вертикальной оси (ось Y) от нагрузки на одну точку контакта для насадки АВР 60×80 с толщиной элементов 0,8 мм и расстоянием между косынками 180 мм Значения коэффициентов в выражении (1) для различных размеров насадки АВР приведены в табл. 1. Таблица 1 Значения коэффициентов в формуле (1) Насадка Значения коэффициентов a b c d e 60×60 0,856 -10,916 14340,5 5,675 -97,561 60×80 11,517 -33,662 8219,6 4,496 -1010,473 Адекватность полученных результатов была проверена на испытательном стенде. Для этого к элементу насадки АВР 60×60 с толщиной 0,8 мм и расстоянием между косынками 190 мм прикладывались различные усилия и тензодатчиками определялись возникающие напряжения. Полученные экспериментальные данные сравнивались с расчетными значениями. Результаты сравнения приведены на рис. 4. Рис. 4. Сравнение экспериментальных данных и расчетных параметров для насадки АВР 60×60 с толщиной элементов 0,8 мм и расстоянием между косынками 190 мм С учетом того, что величина задержки жидкости в рабочем диапазоне нагрузок по газу и жидкости меняется в узком диапазоне [3], а влияние напора газа незначительно из-за большого свободного сечения применяемых решеток, выражение (1) было преобразовано в зависимость максимального расстояния между косынками (м) от конструктивных размеров насадки и количества радов в пакете: , (2) где - количество рядов насадки АВР в пакете, шт.; - толщина металла, м; - коэффициенты, характерные для определенного размера контактной камеры насадки. Значения коэффициентов в выражении (2) приведены в табл. 2. Таблица 2 Значения коэффициентов в формуле (2) Насадка Значения коэффициентов a b c d e f g h 60×60 0,272 1393,7 -0,0306 0,000195 0,179 0,291 -0,00552 3,672е-5 60×80 0,369 197,3 -0,0109 0,000068 -0,034 0,035 -0,00091 6,352e-6 Рис. 5. Зависимость расстояния между косынками от количества рядов насадки АВР 60×60 с толщиной элементов 0,8 мм Сравнивая полученные максимальные расстояния между косынками с размерами по техническим условиям на насадку АВР (рис. 5), которые составляют 60÷240 мм, можно сделать вывод, что это расстояние в большинстве случаев может быть увеличено. А так как косынки составляют до 30 % массы насадки, увеличение расстояния между ними уменьшает себестоимость насадки (до 13 % себестоимости).
×

About the authors

Sergey V Ivanyakov

Samara State Technical University

Email: mahp@inbox.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

  1. ТУ 3611-81853606-001-2008 Насадка АВР для колонных аппаратов. - Введ. 2008.01.22 - Самара, 2008. - 20 с.
  2. Пат. 2565189 Российская Федерация, МПК В01D 3/28. Массообменное контактное устройство / Григорян Л.Г., Игнатенков Ю.И.; заявитель Григорян Л.Г., Игнатенков Ю.И., патентообладатель ООО «Инженерный центр «Нефть и газ». - № 2014105241; заявл. 12.02.14; опубл. 20.10.15. Бюл. № 29. - 8 с.
  3. Михайлов С.С., Григорян Л.Г., Лесухин С.П., Иваняков С.В. Обобщенные гидродинамические параметры массообменных аппаратов с вертикальными решетками // Математическое моделирование и краевые задачи: сб. тр. науч.-практич. конф. - Самара: СамГТУ, 1999. - С. 95-97.

Copyright (c) 2016 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies