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预变形加载方式对预应力换热器性能的影响点击：1922 日期：[ 2014-04-26 21:14:14 ] |
| 预变形加载方式对预应力换热器性能的影响 郭崇志 林桥 (华南理工大学) 摘要：通过建立由壳体、管板以及换热管等构成的固定管板换热器有限元分析模型，研究了不同的制造技术对预应力换热器性能的影响，探讨了给定温度场下，两种预变形加载方式对管板强度的影响，得到了管板与管子连接局部应力随预变形变化的规律。研究发现，两种制造技术得到的预应力换热器都能显著降低管子与管板连接局部的应力集中，而分段加载技术具有更强的适应性和经济性。 关键词：固定管板换热器 预应力换热器 预变形 加载 制造技术 中图分类号：TQ051.5 文献标识码：A 文章编号：0254-6094(2012)01-0058-04 固定管板换热器中，过大的管壳壁温差引起的温差应力是导致结构破坏的主要原因之一，为了降低换热器中的温差应力以及由此引起的破坏，郭崇志提出了一种通过施加预应力来降低运行中的换热器温差应力的制造专利技术［1］，陈文昕等曾对某预应力换热器进行过粗略的计算，并将预应力换热器和相应的普通管壳式换热器的计算结果进行了对比，结果表明预应力技术能有效降低换热器的温差应力［2］。 在制造固定管板换热器过程中，重点是采用何种方式来实施预变形加载从而获得预期的性能。为此，笔者提出了两种加载技术，即“整体加载”和“分段加载”技术，并对这两种技术获得的预应力换热器性能进行了分析。 1·建模 1．1几何模型结构尺寸及工艺条件 几何结构模型如图1所示，为折流杆固定管板式换热器，其主要结构尺寸如下: 管板厚度δ12mm 管板外径125mm 导流筒几何参数Φ92mm×1mm×120mm管心距Pt19mm(正三角排列) 壳体Φ115mm×6．5mm×1 476mm 换热管18-Φ12mm×3mm×1 500mm 为了得到管、壳程较大壁温差，两种介质流向为并流，其主要工艺条件见表1。 1．2模型的简化及单元类型的选取 建立了由管板、壳体和管束3种主要构件组成的1/2对称简化模型，并利用ANSYS对预应力换热器进行热－结构耦合分析，取Solid作为耦合分析单元，同时设置换热管为预拉伸单元。为了在ANSYS结构分析模型中使用FLUENT的流体流动与传热模型的计算结果［3，4］，在两个软件中建立模型时，要求几何形状保持一致［5～7］，并采用“分段模拟，整体综合”方法［7～10］进行CFD分析。 1．3预变形量的两种加载制造过程对换热管施加预变形时，目前有两种加载方式:一种是整体加载技术［7］，即对所有的换热管施加相同的预变形量;另一种是分段加载技术［8］，即沿管板的径向加载不同的预变形量。假定管板外圆周边缘在轴向(z向)上的变形为零，而各层管排近似视为若干同心圆，每个同心圆层上需要加载的预变值根据中心点变形量，按照变形曲线算出。 1．4定义路径 图2给出了在出口管板上定义的路径D，入口管板定义的路径X。 1．5预变形量的确定 图3是在路径D上换热管和壳体的轴向自由热膨胀差模拟结果，据此可以确定预变形加载的范围。 2·求解结果比较 2．1两种预变形的预应力结果对比 图4给出了两种预变形加载得到预变形和最大热应力的关系。由图4可见，无论何种加载，随着预变形量的增加，最大应力(以下主要讨论等效热应力，轴向热应力作为参照)呈现先降后升的趋势，这说明存在着一个最优的预变形状态，对应温差应力最小状态;与最优预变形状态相比，未施加预变形的(常规)换热器的最大应力往往超过预应力换热器2～3倍，可见经过优化预变形处理的预应力换热器，与常规换热器相比具有非常优越的承载条件;两种加载方式下，整体加载比分段加载更先达到最优预变形量;随着预变形量的增加，开始整体加载的等效应力比分段加载小，随后整体加载得到的等效应力比分段加载得到的大;在最优预变形下，整体加载方式对应的最大应力小于分段加载方式，因为分段加载方式总的预变形量大于整体加载方式。 2．2路径分析结果 图5所示为路径D上，两种加载方式下，不同预变量对应的等效应力曲线。 由图5可得出以下结论: a．常规(无预变形)换热器的等效应力曲线的总趋势是管板中心部位的管桥应力比管板边缘的应力高。此外，管口附近应力分布的均匀性差，在布管区管子的孔口边缘附近应力陡然上升，意味着孔边缘存在很高的应力集中，而在管板边缘附近的管子孔口附近应力陡增情况趋缓，但还是存在较大的应力集中。 b．随着预变形量的增加，管桥应力降低，孔口附近的应力集中得到控制，应力集中程度大大下降，管间应力分布趋缓。 c．整体加载方式在较小预变形量下，使得应力分布趋缓，并且应力集中的状况得到较大缓解，而分段加载在较大的预变形量下得到与整体加载相似的效果。 d．分段加载方式由于可以针对不同的管层施加不同的预变形，可以根据实际情况灵活控制各层的工作应力强度，同时也可根据换热器局部的破坏情况来实施有针对性的预变形加载技术，从而有效控制或避免局部破坏的发生。 e．两种加载方式都有利于降低常规换热器管板的管孔口部位的高应力集中现象，在预变形选择合适时，可以使得工作状态下的应力分布近似恒定直线，且趋于最小(甚至趋于零)，得到非常理想的管板工作强度曲线。对于管子孔口附近的高应力集中引起的应力腐蚀、疲劳破坏、管子拉脱甚至管束压缩失稳都有很好的预防作用。 f．通常认为应力集中与局部结构形状有很大关系，分析结果表明，管板与管子连接孔口附近的应力集中与预变形量的大小也有很大的关系。由于预变形量的施加造成连接局部在工作状况下变形约束缓解，从而大大降低了应力集中。 2．3与实验结果的对比 采用应变计对管板X路径上布置3个测点进行了不同预变形下管板应变测试，获取多次实验的平均值，得到各个预变形下各位置上的径向应变值，并与模拟结果进行了对照(图6～9)。 由图6～9可见，无论那种预变形加载方式，都与测试结果相当吻合。从测试数据可见，预变形较小时，两种加载方式得到的结果相差很小，随着预变形的增加，两种加载方式的结果出现一定偏差，但是一般情况下分段加载方式更能接近实验结果。 2．4适应性分析 从两种制造技术的实施来看，整体预变形加载方式，需要通过管束的整体加载来达到规定预变形，对于大尺度换热器(长度和直径)，本身的自由热变形就不均匀，预变形整体加载的意义不大;对于小尺度换热器，尤其是自由变形均匀的情况，例如相变传热，这种加载方式会有良好经济性。相应之下，分段加载方式，能对不同管层施加不同的预变形量，加载难度较小，预变形的控制极为容易，可以实现针对局部的强度控制，对于尺度大小不同的换热器都合适，经济性更好。 3·结论 3．1两种预变形加载的制造技术都是可行的，预变形的控制、施加和维持都是可实现的; 3．2两种加载方式均可通过选择施加合适的预变形量来显著降低管板与管子连接区域局部过大的应力集中，对于防止和避免由于应力集中引起的破坏具有重要作用。 3．3两种制造技术的分析表明，分段加载方式适用范围广，可以实现对换热器局部应力的控制，因此经济性更好。 参考文献 ［1］郭崇志．一种管壳式预应力换热器的设计制造方法［P］．中国:00114032，2000． ［2］陈文昕，王友红，郭崇志．管壳式换热器预应力计算方法的初步研究［R］．广州:广东省锅炉压力容器论坛，2005． ［3］郭崇志，梁泉水．折流杆换热器数值模拟新方法［J］．化工进展，2007，26(8):1198～1200，1206． ［4］郭崇志，周洁．固定管板式换热器的温差热应力数值分析［J］．化工机械，2008，36(1):41～46． ［5］祁玉红．焊接板式换热器应力分析及评定［J］．化工机械，2010，37(2):176～179． ［6］郭崇志，肖乐．换热器流固传热边界数值模拟温度场的顺序耦合方法［J］．化工进展，2010，29(9):1615～1619． ［7］林长青．工艺参数对预应力换热器性能的影响［D］．广州:华南理工大学，2008． ［8］梁泉水．预应力换热器的分析与实验研究［D］．广州:华南理工大学，2007． ［9］陈文昕．折流杆换热器的数值模拟与实验研究［D］．广州:华南理工大学，2006． ［10］郭崇志，庞凌慧．预应力换热器性能的数值分析与实验研究［J］．压力容器，2009，26(1):4～9，22． |
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