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列管式换热器应力分析点击：2101 日期：[ 2014-04-26 21:39:23 ] |
| 列管式换热器应力分析 吴文飞 （齐齐哈尔市特种设备检验研究所，黑龙江齐齐哈尔150008） 摘要：列管式换热器的管壳与换热管在温度变化时引起的长度变化，形成局部应力，根据受力分析比较，建议采用具有补偿装置的结构。 关键词：换热器；温度；应力；补偿 列管式换热器（亦称壳式换热器）在炼油、石油化工、造纸及其它一般化学工业中被广泛应用着。在管壳式固定管板换热器中，当管程温度较高的流体与壳程温度较低的流体进行换热时，由于管束壁温与壳体壁温不同，使管束体伸长量必大于壳体伸长量，但由于管束与壳体在管板处是钢性连接，如图一所示，彼此制约，使自由伸长受到限制，即壳体限制了管束的热膨胀，结果使管束受压，壳体受拉，在截面和壳体壁面上产生了应力。很显然这个应力是由于管壁与壳壁的温差所引起的，所以称为温差应力（亦称热应力或自平衡应力）。管壁与壳壁的温差越大，所引起的热应力越大，在情况严重时，这个应力可引起管子弯曲变形或造成管子与管板连接接头泄漏，甚至可以使管子从管板上拉脱，引发安全事故。如果这种应力（不计应力集中）超过材料屈服极限的两倍，则弹性分析就有可能失效，所以在设计换热器时须特别注意。 在计算温差温度时，为了简化计算，通常假定：①用在每根管子上的应力相同；②采用管壁的平均温度和壳壁的平均温度作为各个壁面的平均温度。 设一个固定管板式换热器在操作时的管壁温度是θt，壳体壁温度θs（沿长度平均壁温），则管子和壳体都会因升温而自由膨胀，管子的自由伸长量为： δt=αt(θt—θo)L cm...................(1) 壳体的自由伸长量为： δs=αs(θs—θo)L cm..................(2) 上两式中αt、αs—分别为管子和壳体材料的线膨胀系数1/℃；L—为壳体长度cm；θo—管子和壳体装配温度℃图二表示管子和壳体因热膨胀而产生长度变化情况。图二a所示，是操作前的温度处于θo时的情况，这时管子和壳体的长度皆为L。在操作温度下，管子和壳体的壁温分别为θt和θs。如果管子和壳体的材料相同，而且它们均可以自由伸长，那么当θo＞θs时，那么θt＞θs。图二b所示，在固定管板的结构中，管子和壳体不能彼此独立伸长，若结构未遭到破坏，二者只能有相同长度δ，且δt＞δ＞δs。图二c所示，从图二b和图二c比较中可以看到，这时管子受到压缩，被压缩长度为（δt—δ），而壳体受到拉伸，受拉伸长度为（（δ—δs）。根据虎克定律，可以分别求出由此而产生的在管壁中的压缩力和在壳体中的抗伸力，根据作用与反作用原理，这两个力应该相等。按虎克定律： （δt—δ）=FL/(Et·n·a).............(3) （δ—δs）=FL(Es·B)................(4) 式中F—管子中的压缩力，也等于壳体中拉伸力Kgf;Et、Es—管子和壳体材料的弹性模量Kgf/cm2;a—一根管子的截面积；a=л（d－St)St cm2；n－管子的根数；B—壳体截面积，B=л(Di+Si)S cm2；d—管子的外径cm；Si－管子的壁厚cm；Di—壳体的内径cm；S－壳体的壁厚cm。合并(3)、.(4)消去δ，可以得下式： δt=δs+FL/Es·B......(5) 把(1)、(2)两式代入(5)式中，则： a t（θt—θo）L—FL/﹙Et·n·a﹚=αs(θs—θo)L+FL/﹙Es·B﹚ 化简上式得： F=a t（θt—θo）—αs(θs—θo)／[1/（Et·n·a）+1/（Es·B）]..........................(6) 如果管子与壳体为同一材料，同时不考虑温度变化时，材料膨胀系数和弹性模量的影响，即a t=a、S=a，Et=Es=E，则上式化简为： F=a E（θt—θs）／[1/（n·a）+1/B]..(7) 由此管壁所受的压力为： δt=F／（n·a）........(8) 同时壳体所受的拉应力为： δs=F／B....(9) 由式(8)和式(9)算出的δt和δs就是分别在管壁和壳壁中产生的温差应力，这个应力有时是很大的，我们看下面的一个例子： 设αt=αs=α=11.5×10-6 1/℃ Et=Es=E=2.1×10-6 kgf/cm2 n·a=B cm2 并取Δθ=θt—θs=1℃ 那么αt=αs=(α·E·Δθ)/2=(11.5×10-6×2.1×10-6)/2=12.1kgf/cm2 当Δθ=50℃时，δt=δs=605 kgf/cm2（若Δθ＞50℃时，温差应力就更大了）。 所以，由于管板的挠曲变形与管子的纵向弯曲，使实际应力比计算结果要小，但不可能降低的很多，所以一般当壳壁与管壁温差Δθ大于50℃时，建议采用如图三所示，是具有温差补偿装置的换热器。 |
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