DE2319333A1 - U-rohrbogen fuer unterschiedliche laengenausdehnungen der rohrschenkel - Google Patents

Description

• Stichwort: U-Rohrbogen für unterschiedliche Längenausdehnungen der Rohrschenkel.
• Die Erfindung bezieht sich auf die konstruktive Gesteltung und Halterung eines U-@ohres in engen Gassen eines Rohrbündels für Wärmeaustauscher wie z.b. für Dampfergeuger, @ühler, Verdampfer, @ondensatoren usw. In Drucka@paraten werden für den W@rmeaustausch vielfach U-@ohroündel verwendet. Bei diesen wird der das edium einführende Rohrschenkel stärker erwärmt als der ausführende @chenkel. Daraus entsteht durch Aufbiegung eine gefährliche Spannung in dem Rohrbogen insbesondere, wenn sein Biegeradius klein gehalten wird. Zugleich tritt eine weitere Beanspruchung des Rohrbogens aus der guerschnittsabplattung hinzu. uber die hierbei auftretende Gesamtbiegespannung galten bisher für Rohrbögen in engen Gassen falsche Vorstellungen. @ieraus sind noch in neuerer Zeit Störungen zu solchen Wärmeaustauschanlagen bei Hernkraftwerken und konventionellen Kraftanlagen aufgetreten.
• U-Rohrbögen werden durch die Wärmedehnung und aus der guerschnittsabplattung am stärksten durch Aufbiegung außen im Bogenscheitel und in der scheinbar neutralen naser beanscrucht. @s entsteht hieraus an beiden ,'itellen eine Biegespannung, die wegen der Kaltverformung und Aufhärtung additiv der Tangentialspannung aus dem statischen Innendruck zugerechnet werden muß. Besonders sind Rohre ait dem halben Gassenabstand R zum .ohrau@endurchmesser D von R/D < 8 in dem Rohrbündel durch überhöhte Spannungen gefährdet.
• Da durch die Wärmedehnung der lineare Ausdehnungskoeffizient α und die Rohrschenkellänge L direkt in die Rohrbogenspannung eingehen, ist man konstruktiv bemüht, für den Betriebs-Temperaturbereich der Anlage einen erkstoff fiir die Rohre mit einem schwach ansteigenden α-Wert zu wählen, um somit den Unterschied der Längendehnungen in dem ein- und ausgehenden Schenkel klein zu halten. Aus den gleichen Gründen wird das Rohrbündel vorteilhafter im Durchmesser größer auf osten einer geringeren Schenkellänge gefertigt. In der Figur 1 wird die Draufsicht eines Rohrbodens mit U-Rohren in bisheriger Bauweise gezeigt.
• Erfindungsgemäß werden bei dem U-Rohr zur Herabsetzung der Biegespannung in dem 3ogen über die vorner zenalmten Richtlinien hinaus, folgende konstruküiven Neuerungen gemäß Figur 2 bis 4 beansprucht: 1) Aus neueren Erkenntnissen geht hervor, daß bei Rohrbündeln mit gleichbleibenden Rohrquerschnitten ab jD < 8 mit kleiner werdendem Gassenabstand 2 R die Biege spannung durch Aufbiegung im Rohrbogen infolge unterschiedlicher Wärmedehnung in den Schenkeln stark ansteigt. Zur Herabsetzung dieser Spannungen auf einen zulässigen ert a werden erfindungsgemäß die Rohre ab R/D < 8 querschnittsmäßigzur Bündelmitte hin wie in Figur 2 zunehmend kleiner ausgeführt. Das ist die entgegengesetzte Denkensweise gegenüber bisherigen Konstruktionen, bei denen man zur Mitte hin starkere Querschnitte verwandte, um damit die größeren Belastungen aufzunehmen. In Wirklichkeit ist es aber so, daß kleinere Querschnitte nicht so große Kräfte durch die Wärmedehnung ergeben und- somit zu kleineren Biegespannungen als durch einen größeren Querschnitt führen. Der in Abhängigkeit vom Verhältnis R/D < 8 abnehmende Rohrquerschnitt wird wie in Figur 2 durch den Rohrdurchmesser 1), seltener mit der Wandstärke s zusammen eingenommen.
• In dem Bündelteil mit R/D>8 werden im Durchmesser und Wanddicke gleichbleibende Rohre verwendet, die Biegespannung geht hier nur untergeordnet ein. Für D wird immer der größere Rohrdurchmesser aus dem Bündelteil R/D > 8 eingesetzt.
• 2) Die Figur 3 zei-t einen Rohrboden 1 mit einem U-Rohr bestehend aus den beiden Schenkeln 2, dem Rohrbogen 3 und dem Trennblech 4. Die "elastische Länge" Lo, bestehend aus dem Anteil der Schenkellänge h, der Wärmedehnung #1, #2 beider Schenkel und der Rohrbogenlänge LB nach Figur 3, wird erfindungsgemäß klein gehalten, denn um die Summe dieser Werte vermindert sich das Linienträgheitsmoment Jxs Da dieses auf das gegebene Biegemoment bezogen wird und die Höhe der Biegespannung beeinflußt, soll der Wert für Jxs möglichst groß angelegt sein. Das kann man konstruktiv durch das Naß h und werkstoffmäßig durch #1, #2 nach der Gleichung L0 = 2 h + #1 + #2 + # R/K (1) erreichen. Hierzu wird nach Figur 4 durch die enste Gasse 2R mit dem kleinsten Biegeradiue R das Trennblech 4 durch den Krümmungsmittelpunkt S gelegt. Auf diese Weise entfällt in Gl.(1) das Glied 2 h und vermindert den Wert für t0. In Gl.(1) bedeutet K den Berichtigungsfaktor nach H. Lorenz [1].
• B e i s O i e 1 Bestimmung der Rohrabmessungen bzw.der Spannungen zu einem @ethanolkühler mit U-Rohren 800 cm Schenkellänge und 36O atü Innendruck aus einem werkstoff Jiinlich .Nr. 4550.
• a) Gerader Schenkel Mit den technischen @aten: k = 22 kp/mm2 bei 173 °C, da = 18 mm, S = 1,5, v = 1,0, c1 = 0 und c2 = 0 ist nach G1.(1) des AD-@erkblattes B 11 bzw. TRD 307 [2,3] eine Mindestwanddicke von rund 2 mm in den Schenkeln erforderlich. Diese Wanddicke wird wie nachstehend auf den Rohrbogen übertragen.
• b) Rohrbogen Mit den technischen Daten Eingang Temperatur des Mediums °C t = 173 t = 20 mittlere Schenkeltemperatur oC tm = 154 tm = 77 E-Modul kp/mm2 E1@ = 19350 E2@ = 19900 Ausdehnungsbeiwert mm/m 10-3 α1 = 2,5245 α2 =1,2324 Ferner mit k = 24 kp/mm2 bei 135 °C Bogen und 30 % @ufhärtung beim Biegen zu insgesamt k @ 32 kp/mm2 desselben Werkstoffes wird mit einer Rohrwanddicke s = 2mm folgende Tabelle für die Spannung ermittelt, worin die Vergleichsspannung aus der Summe der Biege- und Umfangsspannung mit der Axialspannung darstellt. Vom Gassenabstand R/D = 100/18 = 5,55 zur Mitte hin wird der Außendurchmesser D der Rohre stufenweise von 18 mm auf 16, 15 und 13 mm gesenkt, um zulässige Spannungen im Rohrbogen zu erhalten R D #v mm mm kp/mm2 200 18 13,58 150 18 14,43 100 18 17,80 Bereich 100.. .80 16 2u,06 80...60 15 17,77 60...50 13 15,50 Hierzu gilt die Bedingung #v # k/S # 32/1,5 # 21,35 kp/mm2, @lle Rohrbogen ergeben bei der angeführten Durchmesserabstufun Dei . = 1,5 Sicherheit eine Belastung, die unter 21,33 ko/mm2 liegt.
• Es sind folgende Schriften berücksichtigt worden: 1) Lorenz, H.: "Die Biegung krummer Rohre". Dinglers polytechn. J. Bd. 327 (1912), S. 577.
• 2) AD-Aerkblatt B 11 " Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter' (AD), herausgeg. von der Vereinigung der Techn.
• Uberwachungsvereine e.V., Essen/Serlin: Seuth-Vertrieb GmbH, @kt.1964.
• 3) TRD 307 "Technische Regeln für Dampfkessel (TRD), herausgeg. von der Vereinigung der Techn. überwachungsvereine e.V., Essen/Berlin.
• Beuth-Vertrieb GmbH, Okt. 1964.

Claims (5)

P a t e n t a n s p r ii c h e

1) Bundel von haarnadelformig gebogenen @armeaustauschrohren zur Einnahme einer kleineren Biegespannung im Rohrbogen aus der Wärmedehnung infolge Aufbiegung des Rohrbogens d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Querschnitt der Rohre vom halben Gassenabstand R zum Rohraußendurchmesser D im Verhältnis R7t) < 8 stetig oder sprungweise in Abhängigkeit vom abnehmenden Gassenabstand kleiner gehalten wird derart, daß die engste Gasse den kleinsten Rohrquerschnitt aufweist.

2) Bündel von haarnadelförmig gebogenen Wärmeaustauschrohren zur Einnahme nahezu gleicher und zulässiger Vergleichsspannungen in den Bögen nach Anspruch 1) d a d u r c h g e k e n n s e i c h n e t, daß der Rohrdurchmesser D zum abnehmenden Gassenabstand 2 R ab R/D4 8 kleiner gehalten wird derart, daß die engste Gasse den kleinsten Rohrdurchmesser D aufweist.

3) Wärmeaustauschrchre, haarnadelförmig gebogen, mit einem Verhältnis von R/DC 8, des halben Gassenabstandes R zum Rohrdurchmesser D, zur zinnahme kleinerer Spannungen d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Erreichung eines relativ großen Linienträheitsmomentes eine kleine relastische Länge" Zo, bestehend aus den beiden Schenkellängen h unterhalb des untersten Trennbleches bis zum Bogenmittelpunkt, den Wärmedehnungen #1, #2 der beiden Schenkel und dem Verhältnis der Rohrbogenlänge # R zu einem Berichtigungsfaktor K nach dem Verhältnis L0 = 2 h + #1 + #2 + # R/K (1) eingenommen wird.

4) Rohrbündel von haarnadelförmig gebogenen Wärmeaustauschrohren mit einem Verhältnis R/D < 8 zur Einnahme einer relativ kleinen Biegespannung aus der Wärmedehnung durch Aufbiegung des Rohrbogens d a d u r c h e : ç e n n z e i c h n e t, d gemäß Gleichung (1) das unterste Trennblech des @ündels in den @ittelpunkt des Biegeradius des engsten Rohrbogens gelegt wird.

5) Rohrbündel von haarnadelförmig gebogenen Wärmeaustauschrohren zur Einnahme nahezu gleicher und zulässiger Vergleichsspannungen in den Bögen nach Anspruch 1 bis 4) d a d u r c h g e k e n n z e i c 11 n e t, daß die konstruktiven Anordnungen nach Anspruch 1) bis 4) zusammen eingenommen werden.