换热器的分类
烟气换热器
新闻动态
基于热应力模拟的Ｕ形管换热器结构改进点击：2093 日期：[ 2014-04-26 21:35:23 ] |
| 基于热应力模拟的Ｕ形管换热器结构改进 周 雍， 王晓枫， 铁巍巍 （合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 ２３０００９） 摘 要：文章使用Ａｎｓｙｓ软件对传统Ｕ形管换热器的管、板进行热应力的数值模拟，分析热应力的大小是否过大，在此基础上提出一种新型双管板Ｕ形管换热器结构，目的在于减小管、板结合处的热应力，同时改善传统Ｕ形管换热器的一些其他缺陷；并通过Ａｎｓｙｓ分别对传统、新型Ｕ形管换热器工况的模拟，验证了新型Ｕ形管换热器设计的可行性，为新型Ｕ形管换热器的设计研发提供了可靠的数值依据。 关键词：Ｕ形管换热器；热应力；结构改进 中图分类号：ＴＢ６５７．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－５０６０（２０１１）０７－０９８９－０４ 传统Ｕ形管换热器的管束由Ｕ字形弯管组成，管子两端固定在同一块管板上。在换热器工作的过程中，Ｕ形管受到的工作压力主要有２个来源：①管程、壳程的操作压力对Ｕ形管产生轴向推力；②由于壳程隔板以上Ｕ形管与壳程隔板以下Ｕ形管存在较大的温度差，使得Ｕ形管上、下两部分之间存在变形差，当变形受到约束以后，会产生较大的热应力［１］。 由于Ｕ形管与管板结合处存在较大的结构突变，在这２种工作压力共同作用下，管、板的焊缝结合处会产生较大的应力及变形，当应力与变形超出一定极限时会导致Ｕ形管与管板结合处结构破坏，从而发生泄漏，破坏换热器的正常工作［２］。针对此情况，本文采用双管板结构的Ｕ形管换热器，用来减小管、板焊缝处的应力，以达到改善换热器工作性能的效果。 １ 传统Ｕ形管换热器热应力的计算分析 １．１ 换热器工作介质及参数 本文研究的换热器对象是化工行业所用换热器，利用冷却水冷却润滑油。 换热器管程流体为润滑油，壳程流体为水，该换热器利用２０℃的冷却水将１００℃的润滑油冷却到７０℃。根据理论计算以及ＣＦＤ软件ＦＬＵ－ＥＮＴ的模拟验算［３－４］，得出冷却水的出口温度为２７℃。 １．２ 操作压力对Ｕ形管产生的轴向推力 图１所示为受操作压力产生的作用于Ｕ形管上的轴向力示意图，由于Ｕ形管换热器壳程内、外侧的面积不同，又由于壳程压力较高，故会产生轴向应力。作用在Ｕ形管外侧的轴向力为ｐ（２Ｒ＋ｄ０）ｄ０，作用在Ｕ形管内侧的轴向力为ｐ（２Ｒ－ｄ０）ｄ０，因而产生的轴向力为：Ｆ１＝ｐ（２Ｒ＋ｄ０）ｄ０－ｐ（２Ｒ－ｄ０）ｄ０，其中，ｐ为壳程操作压力；ｄ０为Ｕ形管管径；Ｒ为弯管半径。 １．３ 温差对Ｕ形管产生的轴向力 本文研究的换热器为双壳程Ｕ形管换热器，壳程隔板上、下流体的温差较大，使得Ｕ形管上、下２个部分产生变形差，当变形受约束后会产生方向相反的热应力。上部Ｕ形管位于壳程隔板以上，平均温度约为６０℃，则自由膨胀为： δ１＝ａＬΔｔ１， 其中，Δｔ１为上部换热管的实际增温，设备安装时室温约为２０℃，故Δｔ１＝６０～２０℃；线性膨胀系数ａ＝１．２ｅ－５／℃，Ｌ＝１ ０００ｍｍ，同样可以计算出δ２＝ａＬΔｔ２。 由于上、下部分Ｕ形管连接在一起而不能产生自由膨胀，加之折流板的约束，假设这种约束为刚性，因而相互间产生作用力Ｆ２，则有： 换热器工作时壳程隔板上、下的流体由于温差而对Ｕ形管产生的轴向力受力情况，如图２所示。 １．４ 操作压力与温差引起的轴向合力 对上部换热管，Ｆ＝Ｆ１／２＋Ｆ２；对下部换热管，Ｆ＝Ｆ１／２－Ｆ２。根据上述计算Ｕ形管的轴向力，可进一步推算出管板结合处的热应力。为了更直观地得到管板结合处产生的热应力以及观察最大应力集中位置与变形，本文利用Ａｎｓｙｓ对管板的热应力进行模拟。 ２·传统Ｕ形管换热器热应力的模拟 ２．１ 热分析有限元模型的建立 采用换热器管、板的１／２模型，１／２管板上有４个独立的Ｕ形管，润滑油有４个进口与４个出口。Ｕ形管的外径为２５ｍｍ，管壁厚为２．５ｍｍ，管板厚度为２０ｍｍ。 根据该类换热器在实际使用过程中出现的结构破坏情况判断，换热器管、板的最大热应力会发生在管、板结合处［５］。为简化计算，在Ａｎｓｙｓ中进行模拟时，取Ｕ形管与管板结合处的一段为计算模型。有限元模型的单元格选用的是ＳＯＬ－ＩＤ７０热单元，在不影响计算精度的前提下，模型的网格划分采用四面体６级精度的自由划分，有限元模型如图３所示。 ２．２ 热分布的模拟 Ａｎｓｙｓ热应力的计算属于耦合场分析问题。本文采用间接法计算管板结合处的热应力，即先对管板结合处进行热分析，然后将得到的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。 所需施加的载荷有温度载荷与对流载荷。为了验证管、板结合处产生最大应力时是否会引起结构的破坏，在Ｕ形管进、出口分别施加温度差最大的温度载荷，即施加在Ｕ形管进口处内、外管壁的温度载荷分别为１００℃和２０℃，Ｕ形管出口处内、外管壁的温度载荷分别为７０℃和２７℃。冷流体的对流系数为２ ７６３Ｗ／（ｍ２·Ｋ），热流体的对流系数为１５７Ｗ／（ｍ２·Ｋ）。Ａｎｓｙｓ热分析计算的温度场云图，如图４所示。 从图４可以看出，在４个润滑油进口Ｕ形管、管板的温度分布明显高于４个润滑油出口部分的管、板温度，预计润滑油进口部分的管、板结合处会出现较大的热应力。 ２．３ 热应力的模拟与结果分析 为了计算模型的热应力，首先需将有限元模型的ＳＯＬＩＤ７０热单元转化为ＳＯＬＩＤ４５结构单元，然后进行结构载荷的施加。所需施加的载荷有以下几类：管与板的位移约束、Ｕ形管管道内外壁流体作用在Ｕ形管上的压强载荷、Ｕ形管在隔板上、下受到较大温差的温度载荷引发Ｕ形管变形所产生的热应力。经过计算模拟，得到的热应力分布云图如图５所示。 从图５可以看出，管、板受到的最大应力集中在热流体进口处管、板结合处，最大应力约６９０ＭＰａ，管口向外翻出呈喇叭状，出现较大的变形。 ３·传统换热器结构改进方案的提出 传统的Ｕ形管换热器在管、板结合处会产生较大的热应力，除此之外，传统Ｕ形管换热器还有其他一些缺点［６］，如Ｕ形管束与换热管垂直方向的中心部位存在较大空隙，易结垢，流体易走短路，使传热效率降低；换热管的弯管段无支承件，管束易振动，易在此处形成壳程流体流动死区，易结垢，影响传热效果。针对这些缺陷，本文对一些结构进行改进，提出了新型Ｕ形管换热器结构，如图６所示。 新型换热器采用双管板结构，目的是为了减小管、板结合处的热应力。筒体采取Ｕ形结构，从图６所示可以看出，管与管之间在垂直方向上的空隙被减小，从而减缓了管间结垢，提高了传热效果。同时，新型Ｕ形管换热器在Ｕ形管管束弯曲段设置了管间支承件，如折流板［７］，一方面增加了换热器的传热面积，增强了传热效果，另一方面则起到改善管束振动情况的作用。 本文研究了新型Ｕ形管换热器管、板的热应力分布情况，用来与传统Ｕ形管换热器管、板的热应力进行比较，以验证设计的可行性。 ４·新型Ｕ形管换热器热应力的模拟 ４．１新型Ｕ形管换热器的设计 新型Ｕ形管换热器同样是将１００℃的润滑油冷却到７０℃，目的是在满足相同的工作要求下来模拟双管板新型Ｕ形管换热器在工作时管、板结合处的热应力是否减小。 根据新型Ｕ形管换热器的结构特征，结合Ｕ形管换热器国家标准设计出新型换热器的各结构参数。在设计过程中，除了减小管、板结合处的热应力，还考虑了另一工程实际问题，即在满足工作要求的前提下，尽可能地减少制造所需的材料，其中管、管板的尺寸又需要满足一定的要求［８］，管、板的尺寸参数见表１所列。 从表１可以看出，采用的双管板结构的管板材料比原来少，节省了材料，同时管径的减小也节省了制造费用。 ４．２ 热应力的模拟及结果分析 计算模型同样采取１／２简化模型，采用的单元类型以及网格划分方法也与传统Ｕ形管的有限元模型保持一致。 采用间接热－应力耦合计算法，分别计算热流体进口、出口附近管、板结合处的热应力，经Ａｎ－ｓｙｓ模拟得到的热应力分布结果如图７所示。 从图７可以看出，最大热应力集中在管、板结合处。与传统Ｕ形管换热器比较，热流体进口处的管、板最大热应力由原来的６９０ＭＰａ降低到６１０ＭＰａ，热流体出口处的管、板最大热应力由原来的５００ＭＰａ降低到４４６ＭＰａ。 ４．３ 结构优化后管板热应力强度实验数据评定 表２所列为传统Ｕ形管换热器与新型双管板Ｕ形管换热器管、板热应力的实验数据以及Ａｎｓｙｓ数值模拟数据的对比，实验数据再次证明了新型双管板换热器设计的可行性［９］。 ５·结 论 （１）对比双管板结构新型Ｕ形管换热器与传统的Ｕ形管换热器，新型Ｕ形管换热器管、板结合处的热应力明显减小。 （２）在满足同样的工作要求，达到同等的换热效果的前提下，减少了管板材料的使用，提高了经济效益。 ［参考文献］ ［１］陈 凤，刘桐生，桑芝富，等．双壳程Ｕ形管换热器管子与管板连接的可靠性分析［Ｊ］．石油化工设备，２００４，３３（４）：１１－１４． ［２］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）：３３８－３４４． ［３］弗兰克Ｐ英克鲁佩勒，大卫Ｐ德维特，狄奥多尔Ｌ佝格曼，等．传热与传质基本原理［Ｍ］．第６版．葛新石，叶 宏，译．北京：化学工业出版社，２００７：４１５－４１７． ［４］李进良，李承曦，胡仁杏．精通ＦＬＵＥＮＴ６．３流场分析［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００９：９５－９９． ［５］戴路玲．钢制管壳式换热器管束失效原因浅析［Ｊ］．化学工业与工程技术，２００３，２４（６）：２４－２７． ［６］王争昇，王学生，战洪仁．浅谈Ｕ形管换热器［Ｊ］．广东化工，２００９，３６（１９８）：１７２－１７４． ［７］王建国．管壳式换热器结构型式及传热性能［Ｊ］．天津建设科技，２００７（Ｚ１）：５９－６１． ［８］钱颂文．换热器设计手册［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００２：１４５－１４６． ［９］祝 健，廖国庆．基于有限元法的垂直地埋管换热器传热研究［Ｊ］．合肥工业大学学报：自然科学版，２００９，３２（１２）：１８８９－１８９２，１８９９．（责任编辑 张秋娟） |
| 上一篇：锆材换热器的制作工艺 | 下一篇：管壳式换热器课程设计应重视流速和压力降的选取 |