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文檔簡介
換熱器管板應(yīng)力分析和安全評(píng)定前言換熱器是化工、石油、能源等行業(yè)常用的設(shè)備,主要用于加熱或冷卻液體或氣體。其中,管板是換熱器中的重要組成部分,其作用是將多根管子束縛在一起,保證管子能夠在加熱和冷卻過程中承受壓力而不發(fā)生變形。因此,管板必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度,才能保證換熱器的正常運(yùn)行。本文將深入分析換熱器管板的應(yīng)力特征與安全性,希望能夠幫助工程師更好地評(píng)估換熱器的安全性能并進(jìn)行必要的改進(jìn)。理論分析管板應(yīng)力分析管板的應(yīng)力主要來源于以下兩個(gè)方面:管子的軸向力和環(huán)向力,使管板承受彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力。管板本身的重量,使管板承受自重應(yīng)力。為了更好地分析管板的應(yīng)力特征,我們需要先了解一些基礎(chǔ)知識(shí)。典型的管板結(jié)構(gòu)典型的管板結(jié)構(gòu)如下圖所示:------------
|管子|
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|管板板束|
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|管子|
------------其中,管子呈對(duì)稱排列,通過鉗夾緊固于管板板束上,板束可以由若干條組成,各條之間通過連接件連接。在運(yùn)行時(shí),管子內(nèi)部充滿熱傳介質(zhì),介質(zhì)在管子內(nèi)部流動(dòng),通過管壁將能量傳遞給外部。基本假設(shè)在分析管板應(yīng)力特征時(shí),我們基于以下假設(shè):管子內(nèi)部介質(zhì)的流動(dòng)是均勻的。板束內(nèi)部的應(yīng)力分布是均勻的。計(jì)算范圍內(nèi)沒有外部載荷的影響。應(yīng)力計(jì)算公式根據(jù)應(yīng)力計(jì)算公式,我們可以計(jì)算出管板所受的應(yīng)力值。以板束中心距離y處為例,管子所施加的軸向力以及環(huán)向力分別為F_1、F_2,則管板的應(yīng)力可以表示為:σ=(F_2*D/4)/t_w+((F_1/n)*y)/t_w+γ*H/(2*t_w)其中,D為管子外徑,t_w為管板厚度,n為管子根數(shù),γ為單位長度管子所受重力,H為板束的長度。進(jìn)一步優(yōu)化以上公式僅考慮了理論上最大應(yīng)力處的問題,實(shí)際中管板的應(yīng)力分布不是均勻的,因此,我們需要通過有限元方法進(jìn)行深入分析,以提高計(jì)算精度。管板的安全性評(píng)定通過上述分析,我們可以獲得管板所受的應(yīng)力值,接下來,我們需要將其與材料的極限強(qiáng)度進(jìn)行比較,以評(píng)估管板的安全性。極限強(qiáng)度的計(jì)算極限強(qiáng)度一般為金屬材料的官方公布值,其計(jì)算只需考慮材料的抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度即可。具體而言,極限強(qiáng)度可表示為:σ_max=α*σ_M/S其中,α為安全系數(shù),一般取1.1-1.5之間;σ_M為材料的抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度;S為材料的安全系數(shù)。安全性評(píng)定公式通過比較管板所受的應(yīng)力值與極限強(qiáng)度,我們可以獲得其安全性評(píng)定值。具體而言,安全性評(píng)定可表示為:R=σ_max/σ其中,R為安全度,σ_max為極限強(qiáng)度,σ為管板所受的應(yīng)力值。實(shí)際案例分析接下來,我們將以某種型號(hào)換熱器為例,進(jìn)行實(shí)際案例分析。案例背景該型號(hào)換熱器為常用換熱器,板束管徑為25mm,板束長度為3m,板厚為12mm,管子根數(shù)為196。其工作條件如下:熱介質(zhì)入口溫度為320℃,出口溫度為300℃。冷介質(zhì)入口溫度為20℃,出口溫度為50℃。冷介質(zhì)的流速為4m/s。應(yīng)力計(jì)算通過應(yīng)力計(jì)算公式,我們可以得到板束中心距離y處的應(yīng)力值為:σ(y)=(F_2*D/4)/t_w+((F_1/n)*y)/t_w+γ*H/(2*t_w)其中,F(xiàn)_2可以通過以下公式計(jì)算得到:F_2=π*D^2*P/4其中,P為熱介質(zhì)或冷介質(zhì)的壓力。對(duì)于中心位置,即y=1.5m,我們可以得到以下應(yīng)力值:σ=(π*D^2*P/4*D/4)/t_w+((F_1/n)*1.5)/t_w+γ*H/(2*t_w)根據(jù)公式計(jì)算可得,該位置處的應(yīng)力值為72.56MPa。安全性評(píng)定通過討論和往常經(jīng)驗(yàn),我們可知材料的抗拉強(qiáng)度約為250MPa,取安全系數(shù)α=1.2,可得極限強(qiáng)度為208.3MPa。因此,通過安全性評(píng)定公式我們可以得到:R=σ_max/σ=208.3/72.56=2.87該換熱器的安全性得到了充分保障。結(jié)論通過以上分析,我們可以得出以下結(jié)論:管板的應(yīng)力主要來源于管子的軸向力與環(huán)向力以及自身的重力。通過有限元方法分析時(shí),我們可以得到
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