Основные свойства конструкционных сталей

Основные виды теплоэнергетического оборудования

Теплоносители

Классификация теплоносителей.

1. По назначению: греющий, охлаждающий (хладоноситель), промежуточный теплоноситель; сушильный агент и т.д.

2. По агрегатному состоянию: однофазные (низкотемпературная плазма [пламя]; газы, неконденсирующиеся пары, их смеси; некипящие и неиспаряющиеся при рабочем давлении жидкости, их смеси; растворы; твердые материалы) и многофазные – кипящие, испаряющиеся жидкости; конденсирующиеся пары; плавящиеся твердые вещества; пены, аэрозоли; эмульсии; суспензии и др.

3. По диапазону рабочих температур: высокотемпературные; среднетемпературные; низкотемпературные, теплоносители, применяемые при криогенных температурах.

Наиболее доступные и распространенные теплоносители – вода, водяной пар, дымовые газы, воздух. В ряде случаев более эффективными являются кремнийорганические, жидкометаллические теплоносители, минеральные масла и др.

Требования, предъявляемые к теплоносителям: высокая температура кипения; низкая температура плавления, термическая стойкость, малая вязкость, большие удельная теплоемкость и теплота парообразования, слабые коррозионная активность и токсичность, невоспламеняемость, взрывобезопасность, невысокая стоимость.

Различают среднюю и истинную удельную теплоемкости. Средняя удельная теплоемкость вещества – отношение количества теплоты, подведенного к единице массы вещества при определенном термодинамическом процессе, к изменению его температуры в интервале от T ₁ до T ₂. Истинная удельная теплоемкость вещества – количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества при определенном термодинамическом процессе для того, чтобы нагреть ее на один градус.

Удельная теплота парообразования – количество теплоты, которое необходимо подвести для испарения единицы массы вещества при заданных условиях (обычно используется теплота парообразования при н.у.).

 

Основы теплового расчета теплообменного оборудования

В зависимости от необходимости может выполняться поверочный или конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата.

Конструктивный тепловой расчет выполняется при создании новой конструкции теплообменника или для осуществления выбора типоразмера аппарата из имеющейся номенклатуры.

Исходными данными расчета являются тепловая производительность аппарата или расходы теплоносителей, а также их начальные и конечные температуры. Результатом расчета является определение площади поверхности теплообмена, а также конструктивных характеристик теплообменника.

Поверочный тепловой расчет производится для оценки пригодности имеющейся конструкции теплообменного аппарата для определенных технологических условий или непроектных режимов работы.

Исходными данными являются конструктивные характеристики теплообменника: площадь поверхности нагрева, количество и размеры теплообменных поверхностей их компоновка и взаимное расположение, а, кроме того, расходы теплоносителей и их начальные температуры. Результатом расчета является определение конечных температур теплоносителей и тепловой производительности аппарата.

Литература

1. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. A. В. Клименко, В. М. Зорина. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МЭИ, 2004. – 632 с. – (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 4).

2. Промышленные тепломассообменные процессы и установки: Учебник для вузов / А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, О.Л. Данилов и др. // Под ред. А.М. Бакластова – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 328 с.

 

Конструкционные материалы теплотехнологии и требования, предъявляемые к ним

Сталь

Для изготовления теплотехнологического оборудования применяются следующие материалы: стали, чугуны, цветные металлы и их сплавы, различные неметаллические материалы.

Сталь – сплав железа с углеродом и другими элементами при содержании углерода не более 2,14 %.

Классификация сталей

Стали классифицируют по химическому составу, микроструктуре, назначению.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистая – сталь, свойства которой определяются содержанием в ней углерода. Легированная – сталь, свойства которой определяются содержанием в ней как углерода, так и других элементов, специально введенных в ее состав. В зависимости от содержания легирующих добавок стали подразделяются на:

1.низколегированные – суммарное содержание легирующих добавок менее 2,5 %;

2.среднелегированные – от 2,5 до 10 %;

3.высоколегированные – содержание железа более 45 %, а легирующих элементов не менее 10 %.

По микроструктуре стали делят на классы: перлитный; мартенситный; ферритный; аустенитный; мартенситно-ферритный; аустенитно-мартенситный; аустенитно-ферритный.

По назначению стали делят на:

1. конструкционные – применяются для изготовления строительных металлоконструкций, деталей машин и аппаратов для работы при нормальной или невысокой (до 450 º) температуре и в неагрессивных средах;

2. стали с особыми свойствами – предназначены для работы в каких-либо специальных условиях (при повышенных температурах, в агрессивных средах и т.д.);

3. инструментальные – применяются в основном для изготовления инструментов и иногда для изготовления некоторых деталей машин.

Конструкционные стали [ГОСТ 4543–71] делятся на качественные, высококачественные (в конце марки ставится буква А) и особовысококачественные (две буквы А).

Основные свойства конструкционных сталей

Работоспособность материала в изделии определяется комплексом его механических (прочность, пластичность и др.), физических, технологических и специальных свойств и зависит от химического состава и структурного состояния.

Прочность – свойство материала в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные нагрузки.

Пластичность – способность металла необратимо изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять эти изменения после снятия нагрузки.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Критерии оценки механических свойств при испытании металлов на растяжение.

1. Критерии прочности:

– предел прочности σ_в, МПа, – отношение наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца к его начальной площади поперечного сечения;

– предел текучести σ_т, МПа, – отношение наименьшей нагрузки, при которой образец деформируется без заметного ее увеличения к его начальной площади поперечного сечения.

2. Критерии пластичности:

– относительное удлинение δ, %, – отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к его начальной расчетной длине;

– относительное сужение Ψ, %, – отношение разности начальной площади и минимальной площади поперечного сечения образца после разрыва к его начальной площади поперечного сечения.

3. Коэффициент Пуассона ν – отношение положительных значений относительной поперечной деформации к относительной продольной при одноосном нагружении образца в упругой области.

4. Модуль упругости Юнга E = σ/ε, МПа, – мера упругости материала, связанная с относительной упругой деформацией тела ε, возникающей под действием напряжения σ.

5. Ударная вязкость, Дж/см² (МДж/м²) – оценивается работой удара, необходимой для деформации и разрушения образца, отнесенной к площади поперечного сечения образца.

Твердость – способность материала противодействовать механическому проникновению в него посторонних тел.

С повышением температуры показатели прочности стали снижаются, а показатели пластичности – возрастают. С понижением температуры пластичность и особенно ударная вязкость стали снижаются.

Физические свойства стали – плотность, температура фазовых превращений, теплоемкость, теплопроводность, электрическое сопротивление, магнитные свойства и др.

Технологичность – способность стали подвергаться литью, горячей и холодной деформации, термической обработке, сварке, пайке, обработке резаньем с получением требуемых свойств изготавливаемых деталей.

Специальные свойства стали:

– жаропрочность – способность материала выдерживать механические нагрузки без существенной деформации и разрушения при повышенных температурах;

– жаростойкость – способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием воздушной или газовой среды при высоких температурах;

– усталостная прочность  – способность материала или конструкции сопротивляться действию циклических нагрузок;

– усталость – изменение механических и физических свойств материала вследствие действия циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций;

– хладноломкость – склонность материала к появлению (или значительному возрастанию) хрупкости при понижении температуры;

– радиационная стойкость – способность материала сохранять в определенных допустимых пределах размеры, структуру и свойства при длительном воздействии радиационных излучениий;

– коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться коррозионному воздействию среды.

Чугун

Чугун – многокомпонентный железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2,7–4,3%. Чугун – наиболее распространенный материал для изготовления отливок благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне.

Различают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны.

Белый чугун очень тверд и хрупок, очень плохо обрабатывается резанием. Используется практически только для получения ковких чугунов.

Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, показывающими временное сопротивление при растяжении, МПа·10^–1 (кгс/мм²). У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, и они чаще всего применяются как конструкционный материал. Отливки из чугуна допускается применять при температуре стенки от –15 до +300 ºС при давлении не более 10 МПа.

Высокопрочный чугун обозначается буквами ВЧ и цифрами, показывающими временное сопротивление при растяжении, МПа·10^–1 (кгс/мм²). Ориентировочно высокопрочном чугуне содержится углерода 2,7–3,6%, кремния 0,8–3,8%, меди 0,3–0,6%, никеля 0,4–0,8%. Сочетание повышенной прочности и достаточной пластичности высокопрочных чугунов позволяет изготовлять из них ответственные изделия, например, коленчатые валы, корпуса насосов и т.п.

Ковкий чугун. В марках ковкого чугуна цифры обозначают временное сопротивление, МПа·10^–1 (кгс/мм²), и относительное удлинение, % (например, КЧ 30-6, КЧ 80-1,5).