換熱器應(yīng)力及變形數(shù)值模擬

換熱器應(yīng)力及變形數(shù)值模擬摘要：本文利用有限元軟件模擬換熱器在溫度載荷和重力載荷及其耦合作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變情況，得到換熱器的應(yīng)力和變形的分布規(guī)律。為換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：換熱器，溫度載荷，耦合，應(yīng)力1、前言:換熱器是石油化工等工業(yè)中必不可少的工藝設(shè)備，管殼式換熱器仍然是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備。管殼式換熱器操作時(shí)，由于管束和殼體等的溫度不同，結(jié)構(gòu)所用材料有時(shí)也不相同，導(dǎo)致熱膨脹不同，從而會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，若溫度差較大時(shí)，就可能產(chǎn)生較大變形、扭彎、開焊或破裂。在換熱器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)換熱器的熱應(yīng)力和熱變形較難預(yù)測。本文利用有限元軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行分析，求出換熱器整體的應(yīng)力和應(yīng)變的分布規(guī)律，為換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供較清晰準(zhǔn)確的依據(jù)。2、列管式換熱器模型及工作原理1-空氣出口風(fēng)箱；2-管板1；3-過渡風(fēng)箱1；4-管板2；5-帶狀插件；6-換熱管；7-空氣進(jìn)口風(fēng)箱；8-管板3；9-過渡風(fēng)箱2；10-管板4；11-過渡風(fēng)箱3；12-管板51-airoutletbellow;2-tubesheet1;3-transitionalbellow1;4-tubesheet2;5-twistedtape;6-heatexchangetube;7-airinletbellow;8-tubesheet3;9-transitionalbellow2;10-tubesheet4;11-transitionalbellow3;12-tubesheet5圖1列管換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Structureoftubularheatexchanger如圖1所示，7.53x106kJ/h列管式換熱器由進(jìn)出口風(fēng)箱、過渡風(fēng)箱、管束組

成管程，空氣由進(jìn)口風(fēng)箱進(jìn)入，在列管及風(fēng)箱內(nèi)流動(dòng)，經(jīng)過3次折返后從出口風(fēng)箱流出；殼程由管板、墻壁及密封裝置（圖中未畫出）組成，煙氣從左側(cè)煙氣進(jìn)口流入，從右側(cè)煙氣出口流出。整個(gè)換熱器中，左端與出口風(fēng)箱相連的一組管子及管板接觸的煙氣溫度最高，且煙氣與空氣溫差最大，所以這一段的熱變形及熱應(yīng)力也會(huì)最大，因此本章只對(duì)該段進(jìn)行數(shù)值模擬。在縱向換熱器是關(guān)于中心面對(duì)稱的，所以建立了左段模型的一半。整個(gè)換熱器的重量約為10T，對(duì)模型施加如圖2左圖所示的載荷A：重力加速度載荷；施加如圖2左圖所示的約束B：過渡風(fēng)箱斜面上的位移約束，位移約束Y方向位移為0mm，其它兩個(gè)方向自由，以及右圖所示的兩個(gè)面上的對(duì)稱約束。模型空氣入口處質(zhì)量流量為:m=0.392kg/s，空氣入口速度為：V]=11.57m/s，煙氣入口溫度為1073K，煙氣入口速度為v2=3.128m/s。圖2模型上的載荷及約束Fig.2Loadsandsupportsofthemodel3、結(jié)果分析由于換熱器受到受到重力和熱載荷等多重作用，為了了解各種載荷下的影響，分別對(duì)重力和熱載荷單獨(dú)進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)重力和熱載荷的耦合作用進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行比較。3.1重力單獨(dú)作用下的應(yīng)力及變形分析

36691，lax3.26152.O?i24461』I:StaticStrictvral(ilSTS)EqurdeatStress"yps：Equivalatt(wfses)StressFig.3EquivalentstressdistributioncloudundergravityI.StaticStnctvil(USTS)liredicoall?far*kti<n.TyjelirediaulkEanitiai(IAxisItut■20106-313.0LI-2.CWI-I1.6307』-J12231e7時(shí)81539?6B4cm?6QtbdCiardiDittSyrteaTinI201H-314:2510047t-6lu-0KC16SM」-008)33669-0--OOC(E7839IJ-0.0010181-e.ram?o.ooi徹■0.0015276lit一L-力單獨(dú)作用下36691，lax3.26152.O?i24461』I:StaticStrictvral(ilSTS)EqurdeatStress"yps：Equivalatt(wfses)StressFig.3EquivalentstressdistributioncloudundergravityI.StaticStnctvil(USTS)liredicoall?far*kti<n.TyjelirediaulkEanitiai(IAxisItut■20106-313.0LI-2.CWI-I1.6307』-J12231e7時(shí)81539?6B4cm?6QtbdCiardiDittSyrteaTinI201H-314:2510047t-6lu-0KC16SM」-008)33669-0--OOC(E7839IJ-0.0010181-e.ram?o.ooi徹■0.0015276lit一L-力單獨(dú)作用下Y方向變形云圖^^■=1Fig.cloudundergravity3.2溫度載荷單獨(dú)作用下應(yīng)力及變形分析Fig.5Equivalentstressdistributioncloudunderthermalloads圖Fig.6Maximumequivalentstressunderthermalloads以溫度載荷作為體載荷加載到換熱器模型上，求解結(jié)果如下。Fig.5Equivalentstressdistributioncloudunderthermalloads圖Fig.6Maximumequivalentstressunderthermalloads從圖5可以看出在溫度載荷單獨(dú)作用下模型大部分等效應(yīng)力約在43394Pa?25.9MPa，風(fēng)箱與管板的連接處應(yīng)力值較大約為100MPa，等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在圖6所示的過渡風(fēng)箱頂點(diǎn)處，其值為233Mpa。從上述分析結(jié)果可以看出溫度載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力比重力載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力普遍要大的多，換熱器所受到的應(yīng)力主要是由溫度載荷產(chǎn)生的，在換熱器設(shè)計(jì)中主要考慮溫度對(duì)換熱器強(qiáng)度的影響是必要的。

B:StaticStructoral(ASSTS)DirectionalDeformationType：DirectionalReformation(TAxis)Un.it：mGlobalCoordinateSystemTime：12010-B-315:330.011358lax0.0100960.0088330.00757050.011358lax0.0063080.00504550.0037830.00252050.0012580.500圖7溫度載荷單獨(dú)作用下Y方向變形云圖0.500Fig.7Y-directiondeformationdistributioncloudunderthermalloads圖形云圖Fig.8Z-directiondeformationdistributioncloudunderthermalloads從圖7可以看出溫度載荷作用下Y方向變形的最大值為11.4mm,處于出口風(fēng)箱處。從圖8可以看出溫度載荷作用下Z方向變形的最大值為6.1mm，沿Z軸負(fù)方向。在溫度載荷影響下，載荷沿豎直方向的變形量比其他方向要大的多，而且重力單獨(dú)作用下的Y方向變形量與此相比可以忽略不計(jì)，在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要考慮溫度對(duì)變形的影響。圖形云圖Fig.8Z-directiondeformationdistributioncloudunderthermalloads3.3重力載荷和溫度載荷耦合作用下的應(yīng)力及變形分析載荷為重力載荷和溫度載荷，I:StaticStrvctirtl(A1STS)加valentStrtnlypt：Equvale&tvorlises)StxtssPa120!l>6-315:592.SUMlu23929e82Oe81.7949*6I4成l%8e889W596Be79918e?7M82li>模型約束與前述相同。求解結(jié)果如下。 耦合作用下的最大等效應(yīng)力Fig.10模型約束與前述相同。求解結(jié)果如下。 耦合作用下的最大等效應(yīng)力Fig.10Maximumequivalentstressundergravityandthermalloads圖9重力載荷和溫下的等效應(yīng)力云圖cloudundergravityandthermalloads從圖9可以看出重力載荷和溫度載荷耦合作用下模型的等效應(yīng)力大部分在76382Pa?30MPa范圍內(nèi)。風(fēng)箱與管板的連接處應(yīng)力值較大約為100MPa，等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在如圖10所示的過渡風(fēng)箱頂點(diǎn)處，其值為269Mpa。以上各數(shù)值基本都大于或等于溫度和重力單獨(dú)作用的應(yīng)力值，可見換熱器的應(yīng)力值應(yīng)綜合考慮，特別是綜合作用下，過渡風(fēng)箱頂點(diǎn)處的應(yīng)力值超過了Q235的屈服強(qiáng)度，但因?yàn)橹皇蔷植壳?，變形后?yīng)力會(huì)重新分配，故換熱器仍可以正常使用，實(shí)際應(yīng)用中

需要注意的是此處是否會(huì)開焊。0000Hr?cti<aalDefarutm1:StaticStrvctvtlU1STS)(Tkn)anmi6：2iTypeDirectionalSefonutimhitnQobdCMrdinateSysttATi??!001132lu0.00997740.：?863490JXT29240.0099500046C759.0032650.0019225oarscce-BF.00076239li>Y方向變形云圖Fig.11Y-directiondeformationdistributioncloudundergravityandthermalloads3010-6-316:28Q?U1CoareinateSysteaTimIIjj*lirectiondDeftmitiLit■ISttlicStnctird(AISTS)需要注意的是此處是否會(huì)開焊。0000Hr?cti<aalDefarutm1:StaticStrvctvtlU1STS)(Tkn)anmi6：2iTypeDirectionalSefonutimhitnQobdCMrdinateSysttATi??!001132lu0.00997740.：?863490JXT29240.0099500046C759.0032650.0019225oarscce-BF.00076239li>Y方向變形云圖Fig.11Y-directiondeformationdistributioncloudundergravityandthermalloads3010-6-316:28Q?U1CoareinateSysteaTimIIjj*lirectiondDeftmitiLit■ISttlicStnctird(AISTS)BiTtctisoalDe:matm1耦合作用下Z方向變形云圖Fig.12Z-directiondeformationdistributioncloudundergravityandthermalloads-0.0)12851-9019276-0.OE5701-0￡032126-0.051402<0057828lin從圖11可以看出重力載荷和溫度載荷耦合作用下Y方向變形的最大值為11.3mm，位于出口風(fēng)箱處。從圖12可以看出重力載荷和溫度載荷耦合作用下Z方向變形的最大值為5.8mm，沿Z軸負(fù)方向。由于載荷耦合作用，以上變形量比溫度載荷單獨(dú)作用下變形量要小一點(diǎn)。通過比較還可以看出，變形最大的部位并不是應(yīng)力最大的部位?？梢?/p>