固定管板式換熱器強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、化I裝備技術(shù)第22卷第2期2001年43固定管板式換熱器強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)張宏選。袁振偉(部卅I r業(yè)大學(xué)摘要通過(guò)理論分析和實(shí)例,論述了固定管板式換熱器殼/一管材料對(duì)換熱器強(qiáng)度的影響,并提出了殼/管材料匹配強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)的若干建議。關(guān)鍵詞固定管板式換熱器強(qiáng)度材料匹配優(yōu)化1實(shí)際問(wèn)題|占J定管板式換熱器是一種使用廣泛、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、造價(jià)低的常用沒(méi)薔。佩對(duì)于管殼程溫差較大的工況,其殼程簡(jiǎn)體、換熱管及管板等受壓元件E會(huì)產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力,常常使換熱器強(qiáng)度沒(méi)計(jì)時(shí)應(yīng)力鉸核不合恪.而不得不增設(shè)膨仆長(zhǎng)節(jié)或改珥j其它形J=I=的換熱器,這樣不世增加r制造的難度,同時(shí)也提高了沒(méi)備的造價(jià)。然而這洋的問(wèn)題在換熱器的設(shè)

2、計(jì)中往往可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到解決。r面就是皿型的一例。有一臺(tái)固定管板式換熱器.其設(shè)計(jì)參數(shù)為:戶=0.3MPa/O.66MPa(殼/管,丁=90C7 150(殼/管;介質(zhì)為:酒精/水蒸氣(殼/管。*張宏選男J963年11月生,副轍授。卻蛐市,45n(f2設(shè)舒H料:殼體、管板、換熱管均為l Crl8N19T1。原設(shè)計(jì)殼體壁厚6m111.管板厚度30mm-換熱管規(guī)格黟25x2。根據(jù)上述參數(shù)。刖化工部化T設(shè)備沒(méi)計(jì)中心站編制的sw6汁騎軟件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算.結(jié)果發(fā)現(xiàn)原管板幢孩不合洛。進(jìn)步榆查應(yīng)力校核結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn).尢殼砒設(shè)汁壓力Ao、管程設(shè)計(jì)壓力p.=(、同時(shí)計(jì)入膨脹變形籌和管程沒(méi)計(jì)壓山p.o、殼辟?zèng)]計(jì)壓力A=

3、o、同時(shí)汁入膨脹變形差這兩=l|1危險(xiǎn)組合的二況下,換熱管的軸向應(yīng)山值分別為106dMPa和一107,lMPa.其絕對(duì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)越過(guò)其所用剃料的許用應(yīng)力值47.?MPa.故此項(xiàng)虛力餃核不合格。此后.對(duì)原設(shè)汁參數(shù)分別n。了如下修改并得到棚應(yīng)的計(jì)算結(jié)果:第一次將殼/管程壁溫改為9fc/JC.的值,使萁趨近:1.o,直軍<1.o。這佯反復(fù)計(jì)算,就可以得到滿意且經(jīng)濟(jì)合理的管板厚度值。當(dāng)然以l幾種方法(增加管數(shù)、增人管間距、管板名義厚度增大應(yīng)靈活運(yùn)用,應(yīng)具體川題具體分析,根據(jù)不同情況采用適合于設(shè)計(jì)計(jì)算具體的同定管板式換熱器管扳厚度的方法。在有些情況下.還可以同時(shí)綜合采用幾種方法.計(jì)算方法類同。參考文獻(xiàn)

4、l“Bl5189銅制智殼式攙熱器2L-msf一】9螄鋼翩壓力容器3j三國(guó)化工設(shè)備設(shè)汁技術(shù)中心站.swn一9s過(guò)帽【2備強(qiáng)曙【f舞款J十包4爭(zhēng)睦【正71喜囂標(biāo)準(zhǔn)化喪艮會(huì)設(shè)計(jì)舒罨具叁銷秈瓜由鉗囂設(shè)汁指南(1垃謫日期2nf¨I#,f,2,萬(wàn)方數(shù)據(jù)萬(wàn)方數(shù)據(jù)固定管板式換熱囂強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)其它參數(shù)不變。其結(jié)果是在上述這耐種危險(xiǎn)組合的工況下.管子軸向應(yīng)九變?yōu)橐?7.7MPa干¨一89.oMPa,其絕對(duì)值仍大于所用材料的許用應(yīng)力值。這說(shuō)明減小管/殼程溫差難以使管子軸向應(yīng)山校核臺(tái)恪。第二次將殼程壓力改為O.09MPa(常壓。其結(jié)果基本沒(méi)有變化。這說(shuō)明壓力對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小.而溫差應(yīng)力卻起支配

5、作用。第三次將管板厚度改為25mm,這時(shí)出現(xiàn)管板周邊不布管區(qū)無(wú)量綱寬度A1.狴序無(wú)法計(jì)算。第四次將換熱管材料由原來(lái)的lcrl8Ni9Ti改為20#鋼。經(jīng)再次計(jì)算.發(fā)現(xiàn)校核結(jié)果中換熱管軸向應(yīng)力由原來(lái)的106.4 MPa和一107.1MPa一下了降低到一30.zlMPa 和一33.2MPa;同時(shí)換熱管的許用壓應(yīng)力增加到57.oMPa.這樣就使上述兩種危險(xiǎn)組合的工況下?lián)Q熱管的軸向壓應(yīng)力小于其許加壓應(yīng)力值57.oMPa.即換熱管應(yīng)力接棱臺(tái)倍。井進(jìn)而使整個(gè)管板校核計(jì)算合格。為什么將換熱管的材料由1Crl8Ni9“改為20#鋼后就能姨換熱管的軸向壓應(yīng)力一下子減小到原來(lái)的1/3以下呢?顯然這是管材改變所起的

6、作用。下面具怵分析換熱管樹料性質(zhì)是如何影響換熱管軸向應(yīng)力的。2理論分析首先分析一下?lián)Q熱管材料哪些性質(zhì)參數(shù)對(duì)管子軸向應(yīng)力有影響?？紤]下述四種危險(xiǎn)組臺(tái)情況:(1AO.p.一O.不計(jì)膨脹變形差;(2p。o.p.一o,jJ時(shí)汁入膨脹變形差;(3p,oAo.不計(jì)膨脹變_l|!;差;(4pto,Ao.同時(shí)計(jì)入膨脹變形差。根據(jù)固定管板式換熱器管板強(qiáng)度的理論計(jì)算公式(把管板當(dāng)做彈性基礎(chǔ)上的圓平板計(jì)算,此時(shí)各應(yīng)力為:管板應(yīng)力壚和。2以一可刖“l(fā)磊J管子軸向應(yīng)力壚吉卜罐只j殼程筒體軸向應(yīng)力一是卅攔只在上述管子軸向應(yīng)力公式中:p、0、f,。均為換熱器結(jié)構(gòu)系數(shù).只與換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)自熒。式中其它符號(hào)為:u管板邊緣剪力系

7、數(shù);,。當(dāng)量壓力組合,P。一P。P.(1+口;Jr。殼程壓力;,。管欄壓力;r。有效壓力組合。,。一三:P,三.尸.+盧yE.;E換熱管材料的彈性慎量;y管亍與筒體材料的熱膨脹差.y=dl(fl一,od。(f。,n;。.管子材料的線膨脹系數(shù);以殼程筒體材:阱的線膨脹系數(shù);f。管子的平均壁滯;f。殼程簡(jiǎn)阼的平均壁溫;f。換熱器制造時(shí)的環(huán)境溫度?？梢钥闯?影響換熱管軸向應(yīng)力的村剌性質(zhì)參數(shù)是:正,.吼,%。在管子軸向應(yīng)力公式壚古卜罐凡j中?？梢?爵矮分為兩部分,一部分足H1比力載荷引起的軸lq應(yīng)力,記為口?;另部分剛是f 溫差效荷引起的軸向應(yīng)力.記為一j。而換熱管材料性質(zhì)只足影響南溫差載荷引起的管子

8、軸向應(yīng)力一。兇此.在這里我們H討論材料性質(zhì)時(shí)由溫差載荷引起的管子軸向應(yīng)力一j的影um 由上述可知:萬(wàn)方數(shù)據(jù)萬(wàn)方數(shù)據(jù)化I裝備枝術(shù)第22卷第2期2001年(;塑F yQ一(;,令c1一鬻并將y=8.(.一“一吒(。f色入上式。則口j=(甚.m(.一f。d。(,。一f。當(dāng)換熱管材料改變I時(shí).dj=一(、E。q(令E。7=E。赴dl一dt一療q1ds=dt0d:則口j=(1.q(f.口j一(1(.一赴。.(f。一;+占。2(,。一n占。l(f:“(!將式(2與式(1相比得到:d?一(E.阮“.(f.一r,_-占。2(。z.,一d。1(f f。.訂一iiXi萬(wàn)=五巧;麗丁一i亂1r占。(,一。l E。J

9、 L1d。(f。一,+占。z(f。,cJ軎=碓誓確誓砘文lf;fnq三二壘占。:,。folq f。刊筒體的溫升(。一f。相對(duì)管/殼稃溫差(,一,的比率有關(guān)。上式適合j二周定管板式換熱器的般工況。下_血-討淪兩種特殊_E況。(1管內(nèi)恒常溫冷卻.即f。=,。.II【|警砷1等一一警甕砷z上式說(shuō)明管內(nèi)1募溫冷卻時(shí),矗綮引起的州,則等釧刮,一毒糕J掣軍等蠹荔墓蓋怎檠冀凳簍籮戥耐h m與在這里.我們把雅稱做換熱管材料秈劉殼程筒奉材料彈性模量的改變率.把口。.稱做換熱管材料線膨脹系數(shù)的改變率.把%稱做換熱管材料相對(duì)殼程筒體材料線嘭脹系數(shù)的改變率,把_t,稱做換熱管溫升相對(duì)管/殼程溫差的比率.把口t:稱做殼

10、程簡(jiǎn)體溫升相對(duì)營(yíng)/殼程溫差的比率。由此可以得到如下結(jié)論:在一般工況下.當(dāng)換熱管與殼程簡(jiǎn)體材料不同時(shí).溫差引起的管子軸向應(yīng)力與管子材料性質(zhì)參數(shù)不足簡(jiǎn)幣的正比關(guān)系.而最還與換熱管的溫升(f.一,及殼程(2管外隨常溫冷卻。即,。一f,.則珊:一0rj二=(L鞏(17¨計(jì)。上式蛻明管外恒常溫冷卻時(shí).溫差引起的管予軸向應(yīng)力弓管于材料的彈陛謨量成正IE.1一J時(shí)還與換熱營(yíng)線膨l系數(shù)及溫升仃關(guān)。3實(shí)例驗(yàn)證在本文的實(shí)例巾。原設(shè)計(jì)殼體柑料換熱管材料均為lc r18Ni9f【、i.在1jo時(shí)其管材的萬(wàn)方數(shù)據(jù)萬(wàn)方數(shù)據(jù)46固定管板式換熱器強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)彈性摸量El87000MPa.線膨脹系數(shù)礬一l706&#

11、215;103mm/(mmK;在90C時(shí)其殼體的彈性漠量E。一191500MPa.線膨脹系數(shù)吼= 1678×10“mm/(mmK。據(jù)此用“sw6計(jì)算軟件”(不考慮壓力載荷得到在酣進(jìn)第(2、(zI兩種工況下?lián)Q熱管軸向儡差應(yīng)力dj分別為一101.288MPa和一113.870MPa?，F(xiàn)將換熱管材料改為20#鋼.在150c時(shí)其彈性模量E。一l89000MIa。線膨脹系數(shù)d,7一兒88×101 mm/(mmK.據(jù)此用“sw6計(jì)算軟件”得到換熱管軸向應(yīng)力一j分別為一35.293MPa和39.396MPa。再用上面導(dǎo)出的式f3汁箅:冼;E。一E;一187000189000=一2000M

12、Pa爐軎=揣一ooM亂l一口、一吼一1706×101188×10州一518×】08mm/(m111K釉一警一湍=o姍s*1一一】706×108“占。2一d,一n。一1706×10一一l678×10卅一28×108mm/(mmK一誓一器乩。帥一甕一等式以z伽一氆=京娑乩z則等=¨呻小高篆j釧_o,小一嗇等羆;:jO.3487對(duì)第(2沖工況:口j一0.3487×(一101.288=一35.31MPa 劉第(4種工況:口j7二0.3487×(一j13.870一一39,71MPa 此結(jié)果與用“sw6計(jì)算

13、軟件”得到的結(jié)果非常吻合,說(shuō)明上述理i侖分忻是正確的。4結(jié)論及建議恨捕呲上分析,可得出以下結(jié)淪:(1般情況下.溫差引起的管予輔向應(yīng)JJ 與管/殼程材料的彈性模量及線膨脹系數(shù)有咒.且管/殼欄采用不同材料時(shí)的應(yīng)力是采川棚l叫洲啪q(1_恥l l熱情(2當(dāng)管棒保持常溫(剮造溫度時(shí).溫蔑日i 起的管子軸向應(yīng)力在管/殼矬采JH不l司4料¨是采用Iu同材料時(shí)的(L啦倍。(3當(dāng)殼碰保持常溫(制造滯度時(shí).濉芹引起的管子軸向應(yīng)力在管/殼程采用小同材料時(shí)是采朋相同材料時(shí)的(1一體(1仉-7t-f等。l習(xí)此.在對(duì)固定管板式換熱器進(jìn)行強(qiáng)度汝計(jì)時(shí),換熱管與殼程圓筒1計(jì)料的選擇至關(guān)照要.尤其是當(dāng)俘在溫差應(yīng)力日.

14、某一側(cè)溫升較人時(shí).除應(yīng)滿足工藝條件外,庶特別注意材料的匹配。下面提出兒點(diǎn)建議:(1當(dāng)管/殼程存在較大溫差時(shí).一舭睛斑j管/殼碰可選用線膨脹系數(shù)相差較大的材、1。當(dāng)管子溫升較大時(shí),選村時(shí)應(yīng)使管子樹蚪的線膨脹系數(shù)小于殼程筒奉材料的線膨脹系數(shù).1小得越多越好;當(dāng)殼程筒體溫升較大時(shí).迸”時(shí)應(yīng)使殼程筒體材料的線膨脹系數(shù)小于管干陽(yáng)料的線膨脹系數(shù),且小得越多越好。(2當(dāng)管/殼俚存在較小溫差時(shí),一帔情況下管/殼程可選用相同的材料。參考文獻(xiàn)1余聞瓊編化工容器絲設(shè)備天津:無(wú)悼九亍tlj版社.1987.z化工泄備設(shè)計(jì)生書編委會(huì)編.換熱替設(shè)計(jì)1.海tjg 科學(xué)技術(shù)出版讓.19R83盤囤壓力吝器1示啦匕技術(shù)霍H會(huì)端.G

15、Blso一鉗鍘!t 力笞器.忙京.學(xué)葩出版社,l98u4龜國(guó)壓力苷器軒準(zhǔn)化技術(shù)委鼠會(huì)編G015l捫鈉削竹亮式攙熱器北京;學(xué)蓖出版社.f收端日期:zwIf,11【1萬(wàn)方數(shù)據(jù)萬(wàn)方數(shù)據(jù) 固定管板式換熱器強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)作者:張宏選, 袁振偉作者單位:鄭州工業(yè)大學(xué)刊名:化工裝備技術(shù)英文刊名:CHEMICAL EQUIPMENT TECHNOLOGY年,卷(期:2001,22(2被引用次數(shù):1次參考文獻(xiàn)(3條1.余國(guó)琮化工容器及設(shè)備 19872.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書委會(huì)換熱器設(shè)計(jì) 19883.GB150-1989.鋼制壓力容器 1989相似文獻(xiàn)(10條1.學(xué)位論文楊宏悅大型固定管板式換熱器管板的有限元分析20

16、06本文建立了三維實(shí)體參數(shù)化管板模型;分析了管板模型的溫度場(chǎng)分布規(guī)律,驗(yàn)證了ASME規(guī)范中表皮效應(yīng)理論;分析了不同操作工況下管板模型的應(yīng)力場(chǎng),并按照J(rèn)B4732-1995鋼制壓力容器分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了強(qiáng)度分析和評(píng)定。強(qiáng)度分析結(jié)果表明:除了簡(jiǎn)體上的一次薄膜應(yīng)力起控制作用外,管板的強(qiáng)度控制因素是位于管板與簡(jiǎn)體連接圓角過(guò)渡處的一次應(yīng)力加二次應(yīng)力,且最大值發(fā)生在熱載荷和殼程壓力同時(shí)作用下的操作工況下;在殼程側(cè),管板在較薄的厚度內(nèi),存在較大的熱應(yīng)力,主要是由此處較大溫度梯度而導(dǎo)致產(chǎn)生的,因此在管板強(qiáng)度計(jì)算中應(yīng)該考慮管板表面溫差引起的熱應(yīng)力。本論文還分析了管板與筒體和管箱連接過(guò)渡圓角的大小對(duì)管板應(yīng)力的影響。研

17、究表明,適當(dāng)增大圓角半徑,能顯著降低該位置處的峰值應(yīng)力,較明顯地改善此處的應(yīng)力分布情況。此外,本論文還建立了傳統(tǒng)等效模型,比較了穩(wěn)態(tài)操作工況下三維實(shí)體模型和傳統(tǒng)等效模型的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明:在非布管區(qū)兩種模型的計(jì)算數(shù)據(jù)十分吻合,但在管板布管區(qū),由于三維實(shí)體模型考慮了管板表面的溫度梯度,而傳統(tǒng)模型的計(jì)算中無(wú)法考慮該溫度梯度,則導(dǎo)致在布管區(qū)三維實(shí)體模型計(jì)算應(yīng)力大于傳統(tǒng)模型的計(jì)算應(yīng)力。2.期刊論文曹海兵.江楠.CAO Hai-bing.JIANG Nan固定管板式換熱器管板強(qiáng)度的有限元分析-化工設(shè)備與管道2009,46(3某公司根據(jù)GB 151按照常規(guī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一臺(tái)冷凝器,結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于管板厚度(

18、200 mm過(guò)大造成工藝條件無(wú)法滿足.為了對(duì)管板進(jìn)行合理的設(shè)計(jì),使其既滿足強(qiáng)度要求也滿足工藝條件,利用有限元計(jì)算軟件對(duì)管板進(jìn)行了詳盡的計(jì)算與分析,調(diào)整管板厚度為150 mm,并依據(jù)JB 4732<鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)>對(duì)其安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià).3.學(xué)位論文李洪科二甲胺換熱器設(shè)計(jì)2008換熱器是實(shí)現(xiàn)不同介質(zhì)之間能量交換的通用設(shè)備,其研究和應(yīng)用受到世界各國(guó)的普遍重視,是傳熱技術(shù)中最活躍的研究領(lǐng)域之一。固定管板式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的換熱設(shè)備,具有可靠性高、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn),在各工業(yè)領(lǐng)域中得到最為廣泛的應(yīng)用。其投資費(fèi)用常常在工廠實(shí)際總投資中占有很大比例。因此固定管板式換熱器設(shè)計(jì)的好壞

19、,對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有著直接的影響。本文依據(jù)GB150鋼制壓力容器和GB151管殼式換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)二甲胺處理量為1198.5kg/h的固定管板式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容及結(jié)論如下:對(duì)換熱器的種類和類型進(jìn)行了調(diào)查和總結(jié)。詳細(xì)介紹了幾種典型結(jié)構(gòu)的換熱器,對(duì)固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了敘述;對(duì)本設(shè)計(jì)條件的換熱器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證。確定換熱方式為逆流,換熱器類型為固定管板式換熱器,管子及殼體選用0Cr18Ni9材料避免介質(zhì)腐蝕。二甲胺蒸氣由換熱器頂部進(jìn)入殼程,冷卻水由底部進(jìn)入管程。確定了介質(zhì)的進(jìn)出口溫度;對(duì)換熱器的工藝進(jìn)行了而設(shè)計(jì),確定采用一殼程四管程換熱器。校核了傳熱量、殼體和管壁的溫差以及壓降。結(jié)

20、果發(fā)現(xiàn):換熱面積裕度為16.4%,滿足設(shè)計(jì)要求。換熱器不需要設(shè)置膨脹節(jié)。換熱器管程和殼程的壓降滿足要求。初步確定了換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及布管情況;根據(jù)GB150和GB151對(duì)換熱器的殼體、封頭、管箱、管板進(jìn)行了強(qiáng)度設(shè)計(jì),并對(duì)其進(jìn)行了校核。然后對(duì)在殼程和管程壓力作用下進(jìn)行了校核計(jì)算,校核結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求,最后對(duì)開孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算;對(duì)換熱器其他部件如分程隔板槽、法蘭、折流板、鞍座、吊耳、焊條進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選用;對(duì)設(shè)計(jì)后該換熱器在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明。4.期刊論文丁英萍.黃文瀛.Ding Yingping.Huang Wenying單程固定管板式換熱器強(qiáng)度設(shè)計(jì)中平均溫度差的計(jì)算-南昌大學(xué)學(xué)報(bào)

21、(工科版2000,22(1為單程固定管板換熱器的強(qiáng)度設(shè)計(jì),推導(dǎo)出冷、熱流體沿程積分平均溫度計(jì)算公式,并采用冷、熱流體的沿程積分平均溫度代替算術(shù)平均慍度來(lái)計(jì)算壁溫,結(jié)果表明,用算術(shù)平均溫度計(jì)算的管和殼的壁溫差,比采用積分平均溫度計(jì)算的管和殼的壁溫差可能大出幾倍至十幾倍,因而,證實(shí)了溫差應(yīng)力計(jì)算中采用算術(shù)平均溫度來(lái)計(jì)算溫差有很大的誤差.5.期刊論文倪群.楊福雅.NI Qun.YANG Fu-ya高溫高壓固定管板式換熱器膨脹節(jié)更換技術(shù)-聚酯工業(yè)2008,21(5 針對(duì)加氫預(yù)熱器膨脹節(jié)失效的問(wèn)題,簡(jiǎn)要的介紹修復(fù)該固定管板式換熱器膨脹節(jié)所采用的方法,同時(shí)還按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)校核了膨脹節(jié)焊縫的強(qiáng)度,指出了膨脹節(jié)拆

22、裝的主要注意事項(xiàng).6.學(xué)位論文王龍硫磺冷凝器溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)耦合分析計(jì)算2006硫磺冷凝器是石化企業(yè)的重要設(shè)備之一,其主要功能是將過(guò)程氣中的氣態(tài)硫冷凝回收。對(duì)硫磺冷凝器進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析,有助于改善冷凝器的結(jié)構(gòu)和操作工藝,對(duì)節(jié)約材料和能源、實(shí)現(xiàn)安全連續(xù)生產(chǎn)具有重要作用。硫磺冷凝器屬于固定管板式換熱器,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,幾何尺寸龐大,如果采用實(shí)體單元建模,得到的有限元模型和求解矩陣規(guī)模非常大,幾乎不能應(yīng)用于PC機(jī)上。本文應(yīng)用通用商業(yè)有限元軟件ANSYS,靈活應(yīng)用ANSYS提供的各種結(jié)構(gòu)單元和熱單元進(jìn)行建模,在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上,減小了計(jì)算規(guī)模。溫度場(chǎng)分析采用SOLID70單元,對(duì)熱影響區(qū)內(nèi)的管板

23、和部分換熱管、殼體進(jìn)行對(duì)流換熱條件下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析,并建立管板與換熱管的單元模型,得到了換熱管壁溫的溫度分布。應(yīng)力場(chǎng)分析采用SOLID45實(shí)體單元模擬熱影響區(qū),加載溫度場(chǎng)的分析結(jié)果作為溫度載荷;熱影響區(qū)外的殼體采用SHELL63殼單元模擬,換熱管采用BEAM188梁?jiǎn)卧M,并加載單元模型計(jì)算結(jié)果作為溫度載荷;出口端管板采用SHELL63單元模擬,根據(jù)等效管板理論計(jì)算其強(qiáng)度減弱系數(shù),通過(guò)定義減弱了的材料常數(shù)把出口端管板作為無(wú)孔當(dāng)量板進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)引入TARGE170,CONTA173和CONTA175接觸單元,采用MPC(內(nèi)部多點(diǎn)約束方法連接梁?jiǎn)卧獡Q熱管與實(shí)體單元換熱管;采用SHSD(殼實(shí)體

24、裝配耦合方法連接殼單元的殼體和實(shí)體單元?dú)んw,從而實(shí)現(xiàn)不同單元間的載荷傳遞和變形協(xié)調(diào)。 根據(jù)求解得到的硫磺冷凝器的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，定義了典型路徑，進(jìn)行結(jié)果路徑分析，取得了硫磺冷凝器的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布特征。 7.期刊論文 帶波形膨脹節(jié)的固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算書 -中國(guó)化工裝備2005,7(1 已知:殼體內(nèi)徑500mm,換熱管為25×2.5無(wú)縫鋼管共140根,管長(zhǎng)(兩管板內(nèi)側(cè)間距為2894mm,管內(nèi)介質(zhì)壓力3.1MPa,最高溫度180,管間介質(zhì)(汽 壓力為1.3MPa,最高溫度240,殼壁溫度估算為190,管壁溫度(最惡劣操作條件下,管內(nèi)外壁平均溫度為155. 8.

25、學(xué)位論文 劉天豐 非對(duì)稱管殼式換熱器結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)中的問(wèn)題研究 2005 本文概括地介紹了換熱器，闡述了管殼式換熱器通用的強(qiáng)度計(jì)算方法及其理論，說(shuō)明了有限元分析方法在換熱器設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。對(duì)于管板上管束 非對(duì)稱布置的換熱器，無(wú)法采用通用的計(jì)算方法進(jìn)行強(qiáng)度校核，只能采用數(shù)值求解的方法進(jìn)行計(jì)算。本文即對(duì)這種帶有異型管板的管殼式換熱器，采用 有限元數(shù)值求解的方法，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)方面的研究，另外，還對(duì)相關(guān)的強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行了理論推導(dǎo)。 介紹了結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)有限元分析的基本理論，合理地建立了固定管板式換熱器溫度場(chǎng)分析有限元模型，計(jì)算得到溫度場(chǎng)，總結(jié)其分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu) 的各部分之間存在著較大的

26、溫差，可能產(chǎn)生較高的溫差應(yīng)力，同時(shí)還將該結(jié)果同其它邊界條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。 討論了幾種換熱器結(jié)構(gòu)有限元分析模型的特點(diǎn)，提出了針對(duì)本文問(wèn)題的有限元模型：用桿單元模擬換熱管，其它部分用實(shí)體單元來(lái)模擬。該模型同 溫度場(chǎng)有限元分析模型保持高度一致，既保證計(jì)算準(zhǔn)確，降低計(jì)算規(guī)模，也符合國(guó)家規(guī)范和力學(xué)原理。在5個(gè)工況下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析，總結(jié)出結(jié) 構(gòu)總體、管板局部應(yīng)力和換熱管拉脫力的特點(diǎn)和規(guī)律，同時(shí)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度校核不通過(guò)，并提出了未來(lái)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的指導(dǎo)意見。 對(duì)增加殼體厚度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析和總結(jié)。通過(guò)對(duì)溫度載荷和力的載荷下結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分析研究，發(fā)現(xiàn)正常 操作工況中，對(duì)于這種有異型管板的換熱器，其不均勻分布的溫度載荷對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小起主要作用。改變管板厚度后進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在溫度 載荷、其它力的載荷下和全部載荷的作用下，管板和殼體連接處的應(yīng)力水平隨著管板厚度改變的不同變化規(guī)律。 根據(jù)上述的分析研究結(jié)果，在原換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用減少管板厚度、在管板兼法蘭