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X型板式换热器的数值模拟结构热应力分析点击：1916 日期：[ 2014-04-26 21:14:39 ] |
| X型板式换热器的数值模拟结构热应力分析 陈文超1，2张锁龙1，2梁欣1，2 (1．常州大学机械与能源工程学院;2．江苏省油气井口装备工程技术研究中心) 摘要：应用Ansys对X型板式换热器进行热应力的数值模拟结构分析，模拟采用三板双通道形式、接缝处分别为辊焊焊接形式的模型，在模型的最外壁分别加以位移为0载荷，以固定板片模型为静态形式。在上下两个通道口分别给与温度载荷进行热分析，并应用间接热固耦合法进行热应力分析。研究结果表明:在板身区域，热应力均匀且非主要强应力区域;在焊接处及板与板之间的夹角处为热应力集中且易破坏区域。 关键词：X型板式换热器Ansys热应力 中图分类号TQ051.5文献标识码A文章编号0254-6094(2011)05-0591-04 板式换热器是换热器的一种，是目前国内外普遍采用的一种具有传热效率高、压降低、占地面积小，且容易适应各种工况的高效换热器，它由板片组成，板片与板片之间采用逆流或错流等流型相互传热，最终使热能得到回收，并在工业上加以二次利用，节约能源，降低能耗，节约生产成本。板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。换热器的各板片之间形成许多小流通断面的流道，通过板片进行热量交换。它与常规的壳管式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多，在适用范围内有取代壳管式换热器的趋势。 笔者重点考虑了固定管板式换热器中热变形受到相互约束的构件系统，用Ansys软件对结构整体温度场进行数值计算，并利用间接热固耦合法研究了X型板式换热器的热应力场。在此分析中考虑了换热器板片、板间焊接和壳体之间的相互约束关系，建立简化分析模型，并以Ansys数值模拟得到的各个相应温度数据作为温度载荷加载到结构分析模型上，进行结构分析。 1·结构模型 模型采用热分析的壳单元，并采用可以用于热－结构耦合分析的shell131单元，shell层数选择3层，模型材料数据均为0Cr18Ni9不锈钢，板片厚度为0．8mm，板片尺寸400mm×400mm，在完成热分析后，生成可供结构分析采用的热分析温度．rth文件，将热分析单元shell131转化为结构分析单元shell181后，加载位移及温度载荷进行热结构分析，并得到分析后的分布云图。 本实验利用波纹板片相互倒置后叠放在一起，上下形成X字形的波纹(图1)，从而形成周期性变化的通道，流体流过此通道从而形成不规则的流动形态，也就是形成交叉流、曲折流等湍流强度较高的流体形态［1］。 如图1所示，3个换热板片形成了上、下两通道，分别流入冷流体和热流体，由于存在温度差，热流体将热量经过中间板片传递给冷流体的同时，受到上、下板片所形成的X字形的扰动，从而形成曲折形流动，在流动过程中产生强度较高的湍流，以达到高效传热的目的［1］。另外，上、中、下3块板彼此交错，在X型的交叉点处形成流体间的相互对顶，流体空间变小、压力增大，形成支撑板片的形式，从而此换热器的交叉点可以对换热器整体形成支持作用，提高此换热器的承压能力。 板片在加工前先进行翻边，并且在板片与板片之间，用辊焊焊接，上、中两板片前后焊接，中、下两板片左右焊接(图2)，最终形成三板片两焊缝的结构模型。结构模型由结构设计软件solid-works完成，保存para格式导入ansys［2］。 2·建立有限元模型 板式换热器内部结构较为复杂，笔者对结构模型(图3)进行了合理简化，在分析模型中忽略了换热器的内部支撑三角架、保温层、换热外箱及外箱封头等部件，建立了由板片、焊接口和换热空腔3个主要结构组成的简化模型。近似将实际的换热器视为若干个相同的单元模型，即单一单元模型。 3·模型的网格划分 该板式换热器的网格划分为曲面划分，因为在模型中的板片上都有直线形波纹，因而用非结构形网格更能适应模型网格划分的要求，使模型的网格划分更容易成功，同时网格数量也不是很多，可以满足计算要求。在网格划分中，选择mesh所有的面，所得网格划分结果如图4所示。 4·热分析及结果 热分析是利用Ansys间接热－固耦合［3］进行，先施加温度载荷得到热分析初步数据，再进而使用该数据进行热应力分析。利用间接法操作不仅简单方便，而且适用范围大，与直接法相比可供选择的单元数目多，达到研究目的方法也相应增多。进行结构热应力分析时需要综合考虑各个方向的温差影响，即冷、热流体的温度全部作为温度载荷，同时施加4个温度，从而使得温度场与实际相近。 此板式换热器热分析依据冷流体进口20℃、出口100℃，热流体进口400℃、出口180℃，温度载荷具体加载情形如图5所示。 将相应温度载荷加到相应线上后，对所加载的结果进行有限元分析计算，从而得出X型板式换热器的热分析结果分布云图(图6)。从图6可看出，温度梯度呈不均匀分布，温度最高及最低的区域温度梯度变化快，中心区域温度梯度渐变平缓。 5·热应力分析及结果 热分析结果输出．rth文件，将单元类型由热分析单元类型shell131转变为相对应的结构分析单元类型shell181，定义结构类型物理参数(304不锈钢)［4］。在进行结构分析时，加载位移和温度载荷。在加载温度载荷时，导入之前的热分析所得到的温度数据，并以．rth文件的形式导入Ansys进行加载。所得到的热应力结果分布云图如图7所示。 由图7可看出，板片中热应力值低于板片夹角处值［5］。在板片夹角处，明显呈现深色区域，热应力值较大，并且还可从图中看出，角顶处颜色加深，即角顶处的热应力值相比角其它地方的要大些。 6·结束语 在X型板式换热器波纹板身区域，热应力均匀且不为主要强应力区域，在焊接处及板与板之间的夹角处，热应力较大且分布不均匀，尤其是焊接夹角处为热应力集中易破坏区域。 参考文献 ［1］郭崇志，林长青．固定管板式换热器的温度场数值分析［J］．化工机械，2008，35(6):338～342． ［2］杨儒周，宫兵，何璟．板式换热器设计计算影响因素［J］．石油化工设备，2009，38(z1):12～14． ［3］曹海兵，江楠．固定管板式换热器管板强度的有限元分析［J］．化工设备与管道，2009，46(3):5～6． ［4］方珍．芳烃装置板式换热器开裂原因分析［J］．化工设备与管道，2009，46(3):16～17． ［5］卢磊．对板式换热器夹紧螺柱长度计算公式的探讨［J］．科技创新导报，2009，(16):125． |
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