高效换热器
波纹板换热器
换热器网
新闻动态
波纹管换热器管板的设计计算与强度校核点击：2097 日期：[ 2014-04-26 21:35:19 ] |
| 波纹管换热器管板的设计计算与强度校核 陈正斌 （广东省汕头市特种设备检验所，广东汕头515041） 摘要：利用有限元方法进行波纹管分析讨论波纹管换热器管板计算，给出了波纹管换热器管板强度计算方法，即将波纹管换热管进行等刚度折算为同直径（外径）的光管，通过对折算前后两种计算结果的对比分析发现，本文采用的计算方法，不仅更为全面，且更便于实际操作和工程应用。 关键词：波纹管换热器管板;强度参数;计算方法 中图分类号：TK172文献标识码：A文章编号：1672-545X（2011）07-0063-03 管板是换热器的主要受压元件之一，其设计合理与否，对于设备的安全运行、节省材料、降低制造成本、减少加工制造的困难，有着重要的意义。 关于管壳式换热器管板、管子和壳体的设计，目前世界上有多种标准规范，如美国的ASM EⅧ―1、英国的BS、西德的AD、日本的JIS、中国的GB151-1999等。这些规范除AD标准外，其余的都是建立在弹性基础圆平板理论基础上的。由于各种方法所作假设简化及考虑的因素各有不同，所以各种方法的计算结果存在一定的差异。尽管这些公式形式不同，但分别基于以下3种基本假设的前提下得出的[1~2]： （1）将管板看成是周边支承条件下受均布载荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式。考虑到管孔的削弱，再引入经验性的修正系数，但是其局限性较大。 （2）将换热管当作管板的固定支撑，而管板是受管子支撑的平板。管板的厚度取决于管板上的不布管区的。实践证明，这种公式适用于各种薄管板的强度校核。 （3）认为管板是弹性基础上受均布载荷的多孔圆板，这样既考虑到管子的加强作用，又考虑到管孔的削弱作用，分析问题比较全面。 我国GB151标准中的管板计算方法，是基于第3种假设推导出来的。由于假设简化合理，考虑因素较为详细，故计算结果更为准确，这已为众多的实验应力分析结果所证实。 1·与管板强度计算有关的参数讨论 GB151-1999《管壳式换热器》中有关公式的设计计算，是把管板看作承受均布载荷、放置在弹性基础上的且受管孔均匀削弱的当量圆板。这是由于在绝大多数管壳式换热器结构中，管子直径相对管板直径足够小，而换热管的数量又足够多，假定在管板上管子是均匀分布的，因而离散的各根换热管对管板的支撑作用，可以认为是连续的，管板承受的载荷也认为是均匀分布的[3]。 同时，GB151-1999是将固定管板换热器中的管板与管束和管板与壳体，看成了强度分析中所考虑的两个系统，即管板管束系统和壳体系统，分析原理按照GB151所采用的结构分析方法。按此思路，整个分析分为以下3个步骤： 第一步———将结构（换热器）分离为数个部件，并解除它们之间的相互约束，分别考察其在载荷作用下所产生的变形与应力。 第二步———考虑它们之间的变形连续条件，即考虑它们在相应边界力作用下的变形与应力。 第三步———叠加上述两部分产生的变形与应力，得到它们最终的变形与应力。 本章波纹管换热器中管板的设计计算，是在赵萍论文基础上，依据GB151－1999《管壳式换热器》进行设计计算研究。波纹管换热器与传统的管壳式换热器的主要差别，在于其换热管束的不同。对于管板的计算而言，两者的主要差异，就在于管束刚度的不同。因此，在对管板进行设计计算时，应将管板的计算公式中，与换热管刚度计算有关的参量进行变换，而不能直接按照标准中给定的公式来对管板进行设计计算。 下面对这几个相关参量的变换进行说明。波纹管的刚度，是指作用力与该力作用下所引起的位移之比，即： 2·管板计算方法 波纹管换热器管板的计算，可依据GB151-1999中管板设计计算方法，运用化工过程设备设计计算软件SW 6-1998 V3.1来计算其强度。在输入数值前，我们应先考虑波纹管与光管之间刚度的不同，也就是说，应先将波纹管折算为与其刚度相同的光管，再将折算后的数据输入到软件中。 波纹管折算为等刚度光管的折算方法：折算过程中，主要考虑管子的轴向力P，由于是求等刚度的折算，则波纹管与光管的轴向力P也应是相同的。 3·管板的算例及分析 现引用原赵萍论文中有关一台波纹管换热器为例，采用SW 6-1998进行计算，并给出了基于本文提出的波纹管等刚度折算和直接采用光管计算的结果，对计算结果进行了讨论。 3.1换热器管板设计参数 圆管内直径Di=700 m m； 壳程设计压力PS=1.6 M Pa； 管程设计压力Pt=1.0 M Pa； 壳体圆管名义厚度δs=8 m m； 腐蚀裕量为1 m m； 焊接接头系数φ=0.85 换热管材料为0Cr18Ni9; 壳体材料为Q235-B。 3.2换热管相关参数 管子壁厚δt=2.0 m m； 换热管长度L0=2 000 m m； 换热管波谷（管坯）外径d1=25 m m； 换热管波峰外径（管板开孔直径）d2=32 m m； 换热管排管根数n=176； 换热管波距H=25 m m； 管中心距S=40 m m； 换热管管板布置形式三角形排列，管子与管板采用焊接连接型式。 管板假定厚度δn=50 m m 对于上述计算条件，采用公式（12）、（13）对波纹管进行等刚度折算，波纹管折算成光滑直管后的壁厚约为：δ’=0.1 m m。在用SW 6-1998软件对管板进行强度计算时，用此厚度值输入到程序中对管板进行计算。折算后的计算结果与未曾折算的与刚度有关系数的对比结果见表1。 在本例管板计算中，计算是完全按照GB151-1999来进行的。我们试着从表1中，可以看到与刚度有关对管板计算有影响的这4个参数K、Kt、Q和4种工况下的Pa值都相差很大，这两种不同方法算出的管板的各项应力，相差也很大。说明了当前一些压力容器制造、设计单位在波纹管换热器设计中，直接利用光管来对管板进行计算，是不可行的，且不安全的。正是由于换热器刚度的差异，导致了计算结果的差异很大。但后一种方法更为全面，更便于实际操作和工程应用。 同时应注意，当按照GB151-1999对拉脱力进行校核时，拉脱力讲算公式： 公式中，d应直接采用波纹管直段的外径进行计算。如按折算后的数值直接代入公式，会产生较大的误差，对安全不利。从表2计算中可以看出。 4·结束语 本文给出了波纹管换热器管板强度计算方法，即将波纹管换热管进行等刚度折算为同直径（外径）的光管，然后利用强度软件SW 6-1998 V3.1对管板进行强度计算。通过对折算前后两种计算结果的对比分析发现，对于第二种方法，不仅更为全面，且更便于实际操作和工程应用。利用有限元方法进行波纹管分析，一直是本领域的一项重要的研究课题，它是波纹管换热器设计和使用的依据，也是波纹管换热管刚度和强度的研究工作基础。本文通过对波纹管换热器中波纹管换热管刚度以及管板设计计算的问题，进行了研究分析。 参考文献： [1]李世玉,桑如苞.压力容器工程师设计指南———GB150,GB151计算手册[K].北京：化学工业出版社,1994. [2]赵萍.波纹管换热器设计计算研究及软件开发[D].南京：南京化工大学，2001. [3]GB151—1999，管壳式换热器[S]. |
| 上一篇：地源热泵地埋管换热器热响应测试分析 | 下一篇：换热器的振动与折流 |