KONSTRUKCE ZAŘÍZENÍ
Zpráva k odborným workshopům
Pracovní skupina VUT v Brně:
studenti Fakulty strojního inženýrství
Odborný garant:
Ing. Richard Nekvasil, Ph.D.
Obsah
1 Úvod........................................................................................................................... 2 2 Workshop 1. „Troubleshooting“ procesních zařízení - Praktické aplikace ................ 2 3 2.1 Analýzy poškozování hrdel ................................................................................. 2 2.2 Poškozování parního generátoru ........................................................................ 4 2.3 Analýza trubkového výměníku tepla ................................................................... 6 Workshop 2. Návrh tlakových zařízení a predikce zbytkové životnosti .................... 10 3.1 Mechanismy poškozování ................................................................................ 10 3.2 Řízení životnosti zařízení .................................................................................. 12 3.2.1 Oblasti ovlivňující životnost zařízení .......................................................... 12 3.2.2 Sledování parametrů zařízení ................................................................... 13 3.2.3 Inspekce zařízení ...................................................................................... 13 3.2.4 Systém řízení životnosti ............................................................................. 14 4 Workshop 3., 4. Tlakové nádoby návrh a praxe I, II ................................................ 15 5 Workshop 1., 2. Programování v Pythonu ............................................................... 16 5.1 Proč se zabývat programováním ...................................................................... 16 5.2 Představení jazyka Python ............................................................................... 16 5.3 Proč zrovna Python .......................................................................................... 16 5.4 Jak začít programovat v Pythonu? ................................................................... 16 5.5 Python jako kalkulačka ..................................................................................... 17 5.6 Základy programování v Pythonu ..................................................................... 17 5.6.1 Logické bloky ............................................................................................. 17 5.6.2 Datové typy ................................................................................................ 17 5.6.3 Funkce ....................................................................................................... 17 5.7 6 Užitečné knihovny ............................................................................................. 18 Využití Pythonu při řešení vybraných inženýrských úloh ......................................... 18 6.1 Tepelně-hydraulický kontrolní výpočet tepelného výměníku se svazkem trubek
v plášti s využitím Pythonu ................................................................................................. 18 6.2 Implementace rezervoárové metody pro hodnocení kumulace poškození
v Pythonu 20 7 Praktické aplikace Pythonu v konstrukční sekci ...................................................... 22 8 Seznam použitých zdrojů ......................................................................................... 23 1 Úvod
Zpráva se zaměřuje na problematiku přednášenou v rámci workshopů pořádaných
v rámci projektu „Partnerství v oblasti energetiky CZ.1.07/2.4.00/31.0080“. V rámci deseti
workshopů pořádaných sekcí „Konstrukce zařízení“ byla představena problematika řešení
reálných problémů v průmyslové praxi, návrhu tlakových zařízení a predikci jejich zbytkové
životnosti spolu s praktickými poznatky. Část workshopů byla zaměřena na využití
programování v jazyce Python při řešení inženýrských úloh. V sekci konstrukce zařízení je
v tomto jazyce vyvíjen software pro konstrukční kontrolu a návrh tlakových nádob v souladu
s normou ČSN EN 1Š445. Workshopy byly orientovány na požadavky průmyslové praxe, a
to v oblasti návrhu zařízeni, optimalizace konstrukčního řešeni a stanovováni životnosti
zařízení. Zvláštní pozornost byla věnována zejména kombinovaným způsobům zatížení
(chemické, deformační, tepelné a jiné) a důraz byl také kladen na komplexnost způsobu
řešení konkrétních úloh zejména na multidisciplinární řešení problémů pro průmyslovou
praxi. Představen byl také proces návrhových a kontrolní pevnostní výpočtů zařízení a
potrubních tras dle národních a mezinárodních standardů, optimalizace konstrukčních řešení
zařízení pomocí numerických metod a ideový návrh řešení. Prezentováno bylo také
posuzování statické pevnosti konstrukcí a stanovování kumulace poškozeni při cyklickém
způsobu zatížení. Studenti měli možnost seznámit se s tepelně-hydraulickými analýzami a
následnými napěťovými analýzami (kombinace CFD a FEM analýz). Následně pak se
stanovováním optimálních provozních podmínek z hlediska vlivu na snižování životnosti
zařízení. V rámci dalších workshopů pak byla řešena problematika Návrhy aparátů včetně
optimalizace konstrukčního řešení a posuzování různých způsobů poškozování zařízení.
2 Troubleshooting“ procesních zařízení - Praktické aplikace
V rámci workshopu byly představeny reálné problémy, které byly řešeny v rámci sekce
konstrukce zařízení na ústavu procesního a ekologického inženýrství v Brně. Důraz byl
kladen na představení nezbytnosti komplexnosti řešení a možné úskalí při řešení těchto
problémů. V této zprávě je stručně uvedeno několik řešených problémů a základní popis
řešených případů.
2.1 Analýzy poškozování hrdel
V této analýze probíhalo posouzení poškozování hrdel. K poškozování dochází
směšováním proudů o rozdílných teplotách, což vyúsťuje v nízkocyklovou únavu.
Na obr. 1 a obr. 2 je možno vidět výsledky analýz směšování médií a jejich vlivu
na strukturu za pomocí FSI (fluid structure interaction) analýzy. Tato analýza je kombinací
CFD (computational fluid dynamics) a FEM (finite element method) analýz. Na obr. 3 se lze
vidět měřící centrálu, pozice měřících čidel a měřenou část napojení nátrubku. obr. 4 ukazuje
záznam
teploty
a
ověření
teplotního
termovize.
obr. 1 Rychlost proudícího média (vlevo) a intenzita napětí (vpravo)
obr. 2 Analýza rozložení teploty
obr. 3 Měřící centrála, pozice měřidel, měřená část
pole
za
pomocí
460,0°C
400
300
200
113,2°C
obr. 4 Záznam teploty z měření a ověření teplotního pole termovizí
2.2 Poškozování parního generátoru
Další představenou analýzou bylo řešení poškozování generátoru páry. V generátoru
páry, konkrétně v sekcích trubkového svazku ekonomizéru a prvního přehříváku (obr. 5)
docházelo k poškozování zařízení. Vyskytovaly se zde trhliny v místech připojení trubek ke
kolektoru (obr. 6) a deformace trubek (obr. 6). Byla provedena řada analýz jako například
teplotní analýzy, CFD analýzy, MKP analýzy, které potvrdily mechanismus poškozování a
byly navrženy nápravné opatření.
obr. 5 generátor páry a schéma trubkového svazku generátoru páry
obr. 6 poškozený trubkový svazek ekonomizéru
obr. 7 geometrie ekonomizéru
obr. 8 simulace proudění média v ekonomizéru
obr. 9 napětí v trubkovém svazku způsobené teplotní distribucí
2.3 Analýza trubkového výměníku tepla
Prezentovaná situace nastává ve spalovně sloužící k likvidaci kapalných a plynných
odpadů z výroby polymerů. Proud PWG(proces waste gas) prochází odlučovačem kapek a
vstupuje do výměníku tepla (obr. 10), kde je předehřát ke spálení. V tomto výměníku tepla
dochází k porušování soudržnosti materiálu trubek, ve kterých proudí PWG. Schéma
průchodů médií je zobrazeno na obr. 10 a obr. 11. K porušování soudržnosti trubek dochází
na straně vstupu PWG v místě jejich spojení s trubkovnicí. Z dodaných fotografií viz obr. 12
je možno vidět místa, kde došlo k porušení soudržnosti materiálu trubek. K odstávce
výměníku a jeho čištění dochází jedenkrát ročně. Na obr. 12 lze vidět skupinu již
zaslepených trubek z roku 2011 a skupinu barevně označených trubek, což jsou trubky s
trhlinami zjištěné při odstávce v roce 2012.
obr. 10 Schéma umístění výměníku tepla
PWG
-
PWG
SPALINY -
SPALINY
Ý
obr. 11 schéma průchodu médií výměníkem
-
Ý
-
obr. 12 Poškozené trubky – část již zaslepená
obr. 13 Komora vstupní části PWG
obr. 14 Spalinový prostor
V komoře, na vstupu PWG dochází k zanášení výměníku tepla částicemi, které proud
PWG obsahuje, jak je vidět na obr. 13. Tyto úsady pak zhoršují funkčnost výměníku.
V první fázi řešení byl proveden výpočet významných teplotních polí z hlediska
poškozování výměníku tepla. V návaznosti byla provedena pevnostní analýza trubkového
svazku, trubkovnic, přepážek a vstupní a výstupní komory, za použití získaných teplotních
polí výsledky byly vyhodnoceny vzhledem vztahu k poškozování zařízení
Fáze řešení

Analýza
proudění
PWG,
přičemž
výsledky
byly
porovnány
zdokumentovaným na fotografiích.

Analýza zanášení trubek.

Optimalizace proudění provedena v programu ANSYS Fluent.

Vyhodnocení získaných výsledků ve vztahu k poškozování zařízení

Navržení nápravných opatření
obr. 15 Teplotní pole vybraných provozních stavů
se
stavem
obr. 16 Model pro MKP analýzu a koncentrace napětí v místě spojení s trubkovnicí
3 Návrh tlakových zařízení a predikce zbytkové životnosti
V rámci druhého workshopu byla pozornost věnována návrhu tlakových zařízení a
predikcí jejich zbytkové životnosti. V tomto článku bude uvedeno obecné pojednání o návrhu
zařízení, mechanismech poškozování, oblastech ovlivňujících zbytkovou životnost, sledování
parametrů zařízení, inspekci zařízení a systému řízení životnosti v rozsahu předneseném
studentům v rámci workshopu.
Bezpečný provoz zařízení je jedním z klíčových požadavků na technická díla, a je na něj
třeba brát zřetel jak již při návrhu zařízení, tak i při jeho provozu. Společně s bezpečností
hraje důležitou roli také ekonomika provozu. Každá část zařízení má jen omezenou
životnost, a tyto části zařízení je nutné vyměnit, popřípadě opravit, aby nedocházelo
k nepředvídaným odstavením provozovaných zařízení. Vhodným návrhem, provozováním,
údržbou i vhodnými a včasnými opravami může být prodloužena doba, po kterou bude
zařízení schopno bezpečného provozu.
S rozvojem vědy a techniky dochází stále k většímu prohlubování znalostí a
zpřesňování metod umožňujících tyto požadavky zabezpečovat. Ovšem s rozvojem
technologií jsou na materiály kladeny také stále vyšší nároky. Zvyšují se provozní teploty i
tlaky, přibývá také nutnosti operativních změn ve výrobě, které mohou nepříznivě ovlivnit
zařízení v mnoha směrech. Je proto nezbytné hluboce porozumět principům poškozování a
na jejich základě provádět odborné analýzy popisující chování zkoumaného celku. Stále
ještě není současná úroveň vědy a techniky na takové výši, aby bylo možno postihnout
komplikovanost procesů a zohlednit všechny parametry ovlivňující chování zařízení. Důležité
je vhodně aplikovat zjednodušující předpoklady, bez výrazného odchýlení od zkoumané
skutečnosti. Je tedy ještě daleko do doby, kdy bude možno provádět přesné, anebo i
zjednodušené, globální posouzení konstrukce bez zahrnutí experimentů v oblastech s tak
komplikovanými provozy jako jsou často energetická, chemická a petrochemická zařízení.
3.1 Mechanismy poškozování
Pro správnou predikci životnosti je nejprve nezbytné pochopit podstatu degradačních
procesů, které mohou v technické praxi nastat a dokázat předvídat jejich výskyt, a popřípadě
navrhnout jejich minimalizaci. Z nich vyplývají způsoby hodnocení poškozování. Z rozborů
poruch a lomů v praxi vyplývá, že k poškození dochází zpravidla kombinací únavy různého
typu s tečením materiálu za tepla, s korozí pod napětím, tvorbou a odprýskáváním (exfoliací)
oxidických vrstev a dalšími účinky stárnutí materiálu v dlouhodobém provozu. Tyto procesy
jsou zásadně silně lokalizovány, takže o spolehlivosti rozhoduje jedno nebo několik slabých
míst. (Koutský, 1995), (P.J. Ennis, 2007).
U konstrukce dochází k poruše či poškození ve chvíli, kdy je překročen její mezní stav.
Dle (Lauschmann, 2007) lze mezní stavy, které mohou nastat, rozdělit dle mechanismu,
který jim předchází na „Elastickou deformaci, plastickou deformaci, houževnatý lom, křehký
lom, lom při tečení, relaxaci napětí, ztrátu stability, radiační poškození, únavový lom,
poškození rázem, teplotní šok, únava za vysoké teploty, opotřebení a korozi“. Podrobnější
dělení mezních stavů popisuje například (M. Vlk, 2007) jak je znázorněno na obr. 17.
Mezi hlavní mechanismy poškozování zařízení v procesním průmyslu můžeme zařadit:

únavu

creep

korozi

korozi pod napětím

současné poškozování únavou a creepem

erozi

tvorbu a odprýskávání oxidických vrstev

vodíkové zkřehnutí

úbytek materiálu
Je nezbytné zmínit, že jelikož je život konstrukce výsledkem účinků pracovního
prostředí, působícího média, provozních zatížení a mnoha dalších vlivů, z nichž některé
nelze předvídat, nebo zohlednit, je životnost zařízení určována s určitou mírou spolehlivosti.
obr. 17 Rozdělení mezních stavů (M. Vlk, 2007)
3.2 Řízení životnosti zařízení
Termínem řízení životnosti zařízení je myšlen soubor činností týkající se návrhu
zařízení, podmínek provozu, plánu kontrol a oprav tak, aby bylo dosaženo požadované doby
životnosti.
Workshop pro studenty se zabýval řízením životnosti zařízení z oblasti energetického,
chemického a petrochemického průmyslu, jako jsou kotle, výměníky tepla, potrubí a různá
další tlaková zařízení.
Pozornost byla věnována oblasti řízení životnosti, kde se použitím souboru
kvantitativních metod, určuje integrita a zbývající životnost zařízení, a je rozhodováno
o vhodnosti dalšího provozu zařízení, přičemž prioritou bývá bezpečný a ekonomický provoz
zařízení. V této oblasti dochází například k rozhodnutím, zda zařízení vyměnit či opravit
a případně stanovit plán revizních kontrol.
3.2.1 Oblasti ovlivňující životnost zařízení
Obecně lze říci, že celková životnost zařízení závisí na:




materiálech, které byly použity pro výrobu
o
jejich vhodnosti pro zvolený účel
o
na kvalitě materiálu ze strany dodavatele
návrhu konstrukce zařízení
o
celkové zvolené koncepci
o
zpracování klíčových detailů
výrobě zařízení
o
úrovni výroby na dílně
o
úrovni sestavení zařízení na místě určení
o
úrovni nedestruktivních kontrol a inspekcí
provozu zařízení
o
zvolených provozních podmínkách
o
dodržení předepsaných provozních podmínek
o
schopnostech obsluhy (provádět vhodné a včasné procedury, znalost
normálních a abnormálních stavů, porozumět funkci zařízení)

údržbě
o
zvolení vhodných míst k inspekci a jejich pravidelném provádění
o
volbě vhodných technologií oprav
o
kompetentní osobě rozhodující o opravách (rozhodnutí na základě úsudku
nebo podložené analýzami)
o
stavu
dokumentace
(vše
zaznamenáno
a
kompletní)
3.2.2 Sledování parametrů zařízení
Jednou z hlavních překážek, na které lze narazit při stanovování zbytkové životnosti
zařízení, je nedostatek dat potřebných ke zhodnocení stavu zařízení.
Přístup k řízení životnosti se v prvotní fázi liší dle historie hodnoceného zařízení. Pro
nová zařízení, která splnila všechny požadavky na výrobu a testování, se po jejich uvedení
do provozu může nasadit sledování životnosti. Zaznamenávají se provozní podmínky pro
vyhodnocování zbytkové životnosti po dobu jejich technického života. Komplikovanější
situace nastává při nasazení sledování životnosti, popřípadě při hodnocení staršího, již
provozovaného zařízení. V takovýchto případech je nezbytné, pokud je to vůbec možné, určit
životnost zařízení s větší mírou konzervatismu.
Z provozních podmínek je dle zařízení vhodné zaznamenávat například

tlaky médií

teploty médií

množství proudících médií

rozměry sledované konstrukce a jejich změny

poměrnou deformaci

chemické příměsi

vibrace

hluk

akustickou emisi
3.2.3 Inspekce zařízení
Je taktéž nezbytné provádět inspekce zařízení ve vhodných časových intervalech a
rozsahu. Při těchto kontrolách pak zaznamenávat změny ve sledovaném zařízení a
vyhodnotit přípustnost těchto změn vzhledem k plánované životnosti zařízení. Při těchto
kontrolách jsou pro zjištění stavu zařízení využitelné především metody nedestruktivních
kontrol jako například

vizuální

kapilární

ultrazvukové

vířivoproudé

magnetické

rentgenové

akustická emise

neutronová radiografie

rozbor metalografie povrchů

odběr malých vzorků povrchové vrstvy a jejich rozbory
Z dalších metod lze jmenovat například

použití svědečných vzorků

odběr vzorků částí konstrukce k destruktivním i nedestruktivním testům materiálu
3.2.4 Systém řízení životnosti
Při zahájení provozu mnoha procesních bloků byla provozní data uchovávána
především v papírové podobě. Pro řízení životnosti je však klíčové mít k těmto datům přístup
a to pokud možno co nejrychleji, nejjednodušeji. Je vhodné využít softwarového vybavení,
které tyto data zpracovává, uchovává a vyhodnocuje v největší možné míře. Současná
úroveň vědy a techniky ještě sice stále neumožňuje vyhodnocovat zbytkovou životnost
takzvaně on-line v plném rozsahu, tedy v reálném čase bez lidského zásahu, a je proto často
potřeba využít služeb expertní organizace k vyhodnocení získaných dat.
Výstupem takovéhoto software je pak například dle (S. Vejvoda, 2007):

přírůstek poškození materiálu za hodnocené údobí
o
degradace materiálových vlastností
o
růst trhlin
o
zmenšování tloušťky stěny

trend poškozování

podíl poškození materiálu určitým mechanismem poškození na celkové úrovni
poškození materiálu

zbytková životnost zařízení jako výsledek celkového poškození
Z obr. 18 (S. Vejvoda, 2007) je možno vidět důležité části programu na řízení životnosti.
Jedná se například o databázi materiálů, procesních dat, seznam provedených kontrol, a
další databáze důležitých dat vzhledem ke kontrolovanému zařízení. Další důležitou částí je
také sběr provozních dat a jejich vyhodnocování dle kontrolovaného degradačního
mechanismu. V programu je také důležité ověřování dat s technickými standardy.
obr. 18 schéma systému pro řízení životnosti (S. Vejvoda, 2007)
4 Tlakové nádoby návrh a praxe I, II
V rámci workshopů byl představena metodika návrhu tlakových zařízení. Součástí
workshopů bylo obecné seznámení s tlakovými nádobami a filosofií návrhu. Pozornost byla
dále věnována kritériím pro strukturní návrh, zejména pak pro oblast návrhu dle analytických
vzorců a návrhu s využitím numerických analýz. Detailněji byly představeny mechanismy
návrhu jednotlivých částí tlakových nádob, jako jsou například pláště, hrdla, příruby,
trubkovnice, sedlové podpory, patky a podobně. Jako součást workshopu byly také
prezentovány legislativní požadavky na tlakové nádoby stanovené v „PED Pressure
Equipment Directive 97/23/EC“.
5 Programování v Pythonu
Cílem tohoto workshopu bylo seznámit studenty s programováním v jazyce Python
a jeho využití při řešení inženýrských problémů.
5.1 Proč se zabývat programováním
Programování může být silným nástrojem inženýra. Lze pomocí něj automatizovat
rutinní úlohy - od jednoduchých výpočtů přes skripty v profesionálních softwarech až po
komplexní programy, řešící nějakou problematiku.
Samotný proces programování úloh je pro inženýra přínosný, protože jej nutí plně
porozumět metodám řešení. Přínosem je také větší náhled do fungování softwarů obecně
a s tím spojená lepší schopnost využívat zejména specializované profesionální softwary.
Pro procesního inženýra je programování velmi podobné návrhu procesních celků,
jejichž jednodušší části jsou různě provázány. Program lze chápat jako továrnu na výrobu
výsledků zadaných úloh.
5.2 Představení jazyka Python
Python je dynamický interpretovaný skriptovací jazyk s širokými možnostmi použití. Je
objektově orientovaný, ale podporuje i procedurální a funkční programovací paradigma. Patří
mezi nejpoužívanější jazyky a jeho popularita roste. Python je multiplatformní, je výchozí
součástí mnoha distribucí Linuxu. Programy lze v Pythonu psát rychleji než v jazycích jako C
nebo Java, ale jejich rychlost je o něco nižší.
Ve světě je Python využíván zejména pro výuku programování (např. na MIT nebo
UC Berkeley), jako skriptovací jazyk mnoha softwarů (např. ANSYS Workbench, Abaqus,
LibreOffice, FreeCad, Blender, Maya) a prorychlý vývoj aplikací ve společnostech jako
NASA, Google, Dropbox, Red Hat, EDF. Pomocí Pythonu lze psát i plnohodnotné aplikace,
pokud není rychlost aplikace nejdůležitějším faktorem.
5.3 Proč zrovna Python
Pro různé aplikace jsou vhodné různé programovací jazyky. Python patří mezi jazyky
pro obecné účely. Jeho výhody jsou rozšířenost, jednoduchost a dostupnost mnoha
kvalitních výukových materiálů, jako je např. úvod do programování z MIT prostřednictvím
platformy EDX.
Python má spoustu volně dostupných open-source rozšíření, zejména knihoven pro
nejrůznější specializované účely.
5.4 Jak začít programovat v Pythonu?
Programování v Pythonu lze bez instalace vyzkoušet s využitím některého z online
interpreterů, zajímavý je třeba Pythontutor.org. Soubory k instalaci jsou pak na stránkách
Python.org. V současnosti jsou používány 2 základní verze Pythonu – 2.x a 3.x. Verze 2.x je
sice starší, ale je pro ni k dispozici více knihoven.
Po provedení instalace je uživateli k dispozici interaktivní interpreter, jednoduché
vývojové prostředí IDLE a standardní knihovny. Pro zkušenější programátory mohou být
výhodnější pokročilejší vývojová prostředí jako Eclipse nebo PyCharm.
5.5 Python jako kalkulačka
Pro začátečníky může být zajímavé použití interaktivního interpreteru jako kalkulačky.
Příklady:
>>> # tento znak označuje komentář ... >>> # základní a aritmetické operace ... >>> 2+2 4 >>> 5*6 30 >>> # pozor! ... >>> 5/3 1 >>> 5/3. 1.6666666666666667 >>> # "." za číslem značí, že se jedná o typ s desetinou čárkou ... >>> 5**3 125 >>> 16**.5 4.0
5.6 Základy programování v Pythonu
5.6.1 Logické bloky
Logické bloky v kódu (např. vnitřní struktura podmínky nebo cyklu) se oddělují
odsazením, což vede k přehlednosti. V ostatních jazycích je toto odsazování doporučováno
právě kvůli přehlednosti, nemá však jiný funkční význam.
5.6.2 Datové typy
V Pythonu není třeba definovat typy proměnných. Mezi základní datové typy patří celá a
reálná čísla – int a float, pole – tuple a list a slovník – dict.
5.6.3 Funkce
Definice funkcí začíná klíčovým slovem def. V následujícím příkladu je definice
jednoduché funkce, která vrací n-tou odmocninu zadaného argumentu x.
>>> def odmocnina(x, n=2): ... return(x**(1./n)) ... >>> odmocnina(4) 2.0 >>> odmocnina(9) 3.0 >>> odmocnina(16,4) 2.0 >>> odmocnina(27,3) 3.0 5.7 Užitečné knihovny
Při řešení mnoha inženýrských úloh důležitou roli zejména výpočty, optimalizace
a vizualizace dat. Pro tyto účely lze využít například knihovny Numpy a SciPy (výpočty),
OpenMDAO (optimalizace), Matplotlib, Mayavi a VTK (vizualizace).
Komplexní programy často používají grafická uživatelská rozhraní pro snadnější
ovládání. Pro tvorbu grafických uživatelských rozhraní lze využít např. knihovny wxPython
(pro PC) nebo Kivy (pro tablety).
V oblasti konstrukce je třeba pracovat s geometrií zařízení, kterou lze vytvářet pomocí
knihovny PythonOCC. Geometrii lze použít jako jeden ze vstupů pro pevnostní výpočty
pomocí knihovny Code Aster.
6 Využití Pythonu při řešení vybraných inženýrských úloh
V rámci workshopů byly představeny a do detailu rozebrány implementace řešení dvou
praktických úloh: tepelně-hydraulický výpočet tepelného výměníku se svazkem trubek
v plášti a rezervoárová metoda pro hodnocení únavy materiálu.
6.1 Tepelně-hydraulický kontrolní výpočet tepelného výměníku se
svazkem trubek v plášti s využitím Pythonu
Tepelné výměníky se svazkem trubek v plášti jsou v praxi velmi rozšířené a při jejich
návrhu i kontrole se používají kontrolní tepelně hydraulické výpočty. Cílem těchto výpočtů je
na základě geometrie výměníku a parametrů vstupních proudů pracovních látek určit
parametry výstupních proudů a tepelný výkon výměníku. Protože jsou důležité
charakteristiky pracovních látek závislé na teplotě, nelze provést výpočet v jednom kroku a je
třeba iterovat.
obr. 19 Schéma tepelně-hydraulického kontrolního výpočtu
Na je schematicky znázorněn průběh tepelně-hydraulického výpočtu výměníku.
Nejnáročnější částí je výpočet koeficientu přestupu tepla v mezitrubkovém prostoru.
V praxi se pro tento účel používají metody podle Kerna, Bell-Delaware nebo
Flow Stream Analysis (FSA). V rámci workshopů byly představeny implementace
jednoduché Kernovy metody a výpočtově náročnější metody FSA.
Byly diskutovány problémy s konvergencí algoritmu, které mohou v některých případech
znesnadnit hledání řešení.
obr. 20 Průběh tepelných toků v závislosti na číslu iterace pro koeficienty ki=.2 (vlevo, 22 iterací) a
ki=.5 (vpravo, 23 iterací)
Na obr. 20 jsou patrné 2 sady průběhů tepelných toků v jednotlivých iteracích. Řešení se
liší velikostí změny tepelného toku mezi iteracemi.
Implementace tepelně-hydraulických výpočtů v jazyce Python je velmi snadná.
6.2 Implementace rezervoárové metody pro hodnocení kumulace
poškození v Pythonu
Rezervoárová metoda umožňuje hodnocení kumulace únavového poškození při
obecném průběhu zatěžování. Její implementace je jednodušší než v případě známější
metody stékajícího deště, výsledky jsou však ekvivalentní. Lze ji použít pro hodnocení únavy
podle ČSN EN 13445.
Vstupem pro rezervoárovou metodu může být průběh napětí v omezeném časovém
úseku, který se periodicky opakuje nebo v obecném případě celkový průběh napětí během
celé historie provozu zařízení. Na obrázku obr. 21 je ukázkový průběh napětí pro ilustraci.
V dalším textu bude ilustrována práce algoritmu na tomto průběhu.
Poděkování
Příspěvek byl realizován za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu Partnerství
v oblasti energetiky, č. projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080.
obr. 21 Příklad opakujícího se zátěžného bloku
Rezervoárová metoda umožňuje hodnotit bloky, které začínají a končí ve stejném
zatížení a toto zatížení musí být největší. Zátěžné bloky je obvykle třeba upravit, aby
splňovaly tyto podmínky. V případě opakujících se zátěžných bloků lze jednoduše zobrazit 2
bloky navazující na sebe a pak vybrat část vymezenou nejvyššími zatíženími – viz obr. 22.
obr. 22 Úprava zátěžného bloku
Upravený zátěžný blok lze hodnotit pomocí jasně stanoveného algoritmu. Průběh
zatížení je považován za údolí, které se napustí vodou. Poté se zapíše největší „hloubka“ a
nejnižším místem údolí se voda vypustí. Voda pak obecně může zůstat ve více „údolích“,
která je třeba vyhodnotit stejně jako první. Tato procedura se opakuje, dokud není vypuštěna
všechna voda. Soubor zapsaných „hloubek“ odpovídá rozkmitům napětí, které se sčítají do
kumulace poškození. Rozkmity napětí z uvedeného příkladu lze vidět na obr. 23.
obr. 23 Vyhodnocené rozkmity napětí
Výhodou algoritmizace tohoto postupu je možnost rychlého řešení zátěžných bloků
s mnoha výkmity. Na obr. 24 je řešení případu se 100 hodnotami zatížení, algoritmus
úspěšně vyřešil i zátěžný blok o rozsahu 1500 hodnot.
obr. 24 Příklad hodnocení rozsáhlejšího zátěžného bloku se 100 hodnotami zatížení
7 Praktické aplikace Pythonu v konstrukční sekci
V konstrukční sekci je vyvíjen software pro pevnostní výpočty tlakových nádob, který
využívá zejména knihoven wxPython a PythonOCC. Základem softwaru je virtuální model
výměníku, jehož geometrie je modelována jako víceúrovňová sestava.
Na sestavě tlakové nádoby lze provádět kontrolní výpočty podle ČSN EN 13445. Tato
norma obsahuje procedury pro ověření únosnosti jednotlivých prvků tlakových nádob. Kromě
geometrie, materiálu a zatížení prvku je zpravidla třeba znát i jeho blízké okolí (většinou stačí
sousední prvky). Protože je v softwaru modelována tlaková nádoba jako sestava, jsou
informace o okolí prvku dostupné v modelu. Tento „datový model“ obsahuje informace o
geometrických prvcích, materiálech, tlakových prostorech, pracovních médiích, zatíženích,
atd. Kontrolní výpočty pak automaticky čerpají potřebné informace o geometrii prvku, o jeho
okolí a zatížení z datového modelu.
Geometrii lze exportovat ve formátu STEP a použít v jiných programech (např. pro
pevnostní analýzy pomocí MKP nebo tvorbu výkresové dokumentace).
obr. 25 Software pro pevnostní kontrolu tlakových nádob
Na obr. 25 je zobrazeno grafické uživatelské rozhraní softwaru. V levé části jsou panely
s přehledem položek projektu ve formě stromu a pro nastavení vybrané položky. Střední část
slouží k zobrazení 3D modelu nádoby. V pravé části jsou panely pro výpis protokolu o
výpočtu, panel vytížení s důležitými výsledky výpočtu a panel s příkazovým řádkem.
Pro vyvolání okna pro nastavení parametrů položky projektu stačí kliknout myší na
příslušnou položku ve stromu projektu, případně na 3D reprezentaci položky, pokud se jedná
o konstrukční prvek.
Konstrukční prvky lze vzájemně propojovat pomocí „portů“. Porty jsou definovány jako
speciální atributy konstrukčních prvků. Kromě propojení prvků mohou sloužit také k zadávání
okrajových podmínek – například uložení sedlových podpěr nebo lokální zatížení nátrubků
od připojených zařízení.
8 Seznam použitých zdrojů
Koutský, J. (1995). Degradační procesy a predikce životnosti. Plzeň: ZČU Plzeň.
P.J. Ennis, W. Q. (2007). Implications of steam oxidation for the service life of high-strength
martensitic steel components in high-temperature plant. International Journal of
Pressure Vessels and Piping 84, stránky 82-87.
Lauschmann, H. (2007). Mezní stavy I, Únava materiálu. Praha: ČVUT.
M. Vlk, Z. F. (2007). Mezní stavy a spolehlivost. Získáno 22. 01 2013, z Ústavu mechaniky
těles,
mechatroniky
a
biomechaniky:
http://www.zam.fme.vutbr.cz/~vlk/meznistavy.pdf
S. Vejvoda, D. V. (15. 06 2007). Návrh systému životnosti tlakových zařízení klasických
elektráren pracujících v podcreepové oblasti. Získáno 10. 04 2013, z tlakinfo:
http://www.tlakinfo.cz/t.py?t=2&i=1447
Download

KONSTRUKCE ZAŘÍZENÍ Zpráva k odborným workshopům