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换热器预变形与应力特性三维数值研究点击：2070 日期：[ 2014-04-20 00:59:05 ] |
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为了实现预应力换热器在预变形下应力分布规律的数值研究，本文借鉴“分段建模，整体综合”数值模拟新方法，利用CFD 得到换热器温度场分布并作为ANSYS 结构分析边界条件，并采用预拉伸单元进行预变形量的施加与控制，获得热-结构耦合分析结果。结果表明，通过适当施加预变形量，可以有效改善固定管板换热器的安全运行环境，提高了换热器整体可靠性。 引言 管壳式换热器的管壳程温差引起的热应力是导致固定管板换热器运行发生破坏的主要原因，而一般经验认为，当管壳壁温差超过50℃就应对换热器采取热补偿措施，以缓解过大的温差热应力。为了消除或降低热应力的影响，人们从理论和实践上都提出了很多解决方法，预应力换热器就是一种有针对性的解决方案。反向变形的预应力换热器制造技术，该技术首先采用数值分析计算管板可能产生的温差膨胀量，在换热器的制造过程中施加合适的反向预变形来抵消或减少换热器运行过程中产生的温差热应力。 由于管壳式换热器结构的复杂性，目前对换热器热应力的分析研究，大多采用数值分析的方法，公开发表的文献大多利用局部模型进行数值模拟分析，在换热器整体模型上展开研究的较少。对于采用预变形技术的换热器性能分析研究就更少，本文利用“分段建模，整体综合”CFD模拟新方法，首先从传热与流体力学的角度研究了换热器中温度场的分布，利用CFD得到的温度场作为结构分析软件ANSYS结构分析边界条件，并且采用预拉伸单元进行预变形量的施加与控制，从而获得热-结构耦合分析的结果，最后将有限元结果与实验测试数据相比较，对管板及换热管在预变形作用下应力特性进行了研究和探索，研究结果表明，通过适当施加预变形量，可以大幅降低运行中的换热器管壳程壁温差引起的应力峰值，有效改善固定管板换热器的安全运行环境，提高了换热器整体可靠性。 1 建模 1.1 几何模型结构尺寸及工艺条件 本文研究的换热器为折流杆固定管板换热器（可调节预变形模式），几何结构模型见图1，模型主要结构尺寸见表1。换热器壳程介质为普通自来水，管程介质为饱和水蒸气，为了得到管、壳程较大壁温差，两种介质流向为并流，主要工艺条件见表2。 表1 几何模型主要结构尺寸  表2 工艺条件   图1 换热器结构简图 1.2 模型的简化及单元类型的选取 换热器整体结构较为复杂，需采用三维实体建模，并对结构作相应简化，本文建立的模型忽略了壳程流体进出口接管，管程的管箱及其进出口接管，相应的影响作为流体流动和传热的边界条件，从而建立起管板、壳体和换热管束组成的1/2 对称模型。 本文利用ANSYS 对预应力换热器进行热—结构耦合分析，把换热管设置为预拉伸单元，其他构件取Solid90 作为热分析单元，Solid95 为结构分析单元，所有构件材料定义为低碳钢。 1.3 边界条件的确定 将管程进出口边界设定为自由边界；纵向的对称面设置为位移对称边界；壳体的轴向中间面上全部约束自由度为零；换热管各个壁面的温度载荷根据Fluent计算结果拟合出的温度函数关系式施加，其中Fluent分析对换热器采用“分段模拟，整体综合”方法，节省计算成本，取得比较理想的效果，并假设壳体内外壁面和管外壁面的温度主要沿着轴向变化，忽略环向温差；由于该换热器壳程和管程流体压力不大，而研究集中在预变形对温差应力的补偿特性，因此不考虑压力载荷。通过对换热管施加预拉伸单元的位移载荷量来体现预变形加载过程。 1.4 预拉伸单元位移载荷量的确定 施加预变形时，假定管板外圆周边缘在轴向（Y）方向上的变形为零，而各层管排近似视为若干同心圆，每个同心圆层上需要设置的预变形数值可根据中心杆的变形量通过线性关系粗略计算得出，然后由设定中心杆的变形数值，来满足各个布管层的预变形量的设置要求，计算预变形量的示意简图如图2所示。当得知a值后，就可以根据各个半径尺寸计算出b、c、d的值，即可以计算得到各根管子上的预变形量。这种假定多孔圆平板的轴向位移线性分布的假设仅在管板直径较小的情况下能够满足计算的要求。  图2 预变形计算关系图  图3 路径X和Z显示图 转载请注明：哈雷换热设备有限公司 http://www.hrale.net/news/20098218289.html |
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