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非对称管壳式换热器的三维有限元结构分析点击：1934 日期：[ 2014-04-26 21:58:11 ] |
| 非对称管壳式换热器的三维有限元结构分析 刘天丰1,陈建良2,林兴华2 (1.江南大学机械工程学院,江苏无锡 214122; 2.浙江大学化工机械研究所,浙江杭州 310027) 摘要：为研究非对称管壳式换热器的结构受力情况,建立了其合理的三维有限元模型。先分析了 结构部分的温度场,发现其各个部分存在较大的温度差,可能产生较高的温差应力;再补充其它载 荷边界条件进行计算,得到结构的位移和应力。总结了结构主要部位的受力特点和规律,对其进行 了强度校核,发现结果同对称换热器结构的受力有相似之处,同时还对未来的结构改进提出意见。 关键词：换热器;有限元;管板;强度;拉脱力 中图分类号：TK172 文献标识码:A 文章编号: 1001-4837(2009)08-0027-05 1 前言 当前管壳式换热器结构设计分析的主要依据是 GB 151[1],此外还需参考GB 150和JB 4732[2, 3]。 GB 151中关于管板强度校核是根据弹性基础上的 薄板理论,在结构轴对称条件下,将薄板的三维变形 简化为二维梁式变形,并采用结构力学中的“力法”来进行强度计算。该计算公式概念清晰,简单明了, 但适用范围有限:当管束在管板上并非轴对称布置, 或管板上开孔率不在规范之内,它无法计算。 某固定管板的管壳式换热器,其管板上的管束 非轴对称布置,不能用规范中的计算公式进行强度 校核。同时,由于仅壳程的上半部有换热管束,高温 物料流入壳程后,引起管板和壳体之间较大的温度 差,进而会产生温差应力,规范中的公式也无法计算。同时,考虑到结构的形状和受力都较复杂,而规 范中的计算公式对这些因素进行了简化处理,在这 种情况下,采用有限元数值计算是较好的办法。 当前,有限元法求解换热器结构强度的工作不 多,且大多集中在轴对称结构[4~6],这样可将三维问 题简化为平面问题,计算量大大减少。而针对管束 非轴对称布置的换热器结构强度分析,还未见报道。 文中将对该问题进行研究,采用合理的简化措施,建 立换热器有限元分析模型,包括温度场和结构应力 位移场,将计算得到的温度场结果作为载荷施加至 结构有限元模型中,并补充其他载荷边界条件,计算得到结构各个部分的应力,最后对几个关键部位的 应力分布进行总结和强度校核。 2 换热器的主要参数 该换热器为固定管板的管壳式换热器,其结构 如图1所示。 管板上面的管束布置如图2所示,共500根换 热管,分布在管板的上半部分,且左右对称。 该换热器主要设计参数如表1所示,主要结构 参数如表2所示。 3 有限元计算模型 该换热器结构形状复杂,存在许多沟、槽、倒圆等结构特征,还有大量的换热管。在几何建模阶段, 需进行简化,只考虑主要结构:管板、壳体、法兰、管 束和膨胀节,而忽略对关键部位应力影响次要的结构特征。 换热器结构部分的温度分布,与其管程和壳程内流体的流动和传热有直接关系,由于换热器壳程中存在大量的换热管束和其他物体,几何形状不规则,物料自身流动的本构关系也比较复杂,因而壳程 内流体流动和传热十分复杂。通常采用分布阻力、体积多孔度、表面渗透度等模型[7~9],用有限差分法 进行数值模拟。本文对此进行简化,仅计算结构部分的温度场:根据换热器的实际运行状态,估算温度 场边界条件,并施加到模型中。计算得到温度场后,再将其代入到结构分析有限元模型的载荷中,进行位移和应力计算。 如图1, 2所示,换热器有左右和前后两个对称面,为降低计算规模,取整体的1/4为计算模型。整个计算过程采用ANSYS 9. 0有限元分析软件实现。 3. 1 温度场有限元模型 3. 1. 1 边界条件 换热管温度已知,不需计算,其他部分如图2所 示。 (1)筒体和法兰外表面:因为覆盖着保温材料, 可视为绝热边界条件; (2)换热器壳体的下半部:其内表面温度设置为物料的壳程进口温度230℃; (3)换热器的壳程出口处:设为物料的壳程出口温度150℃; (4)换热器管板的下半部:根据两侧流体的物性和流动情况,可算出它们的对流换热系数;结合管板材料的热传导系数、厚度和周围流体参考温度[10, 11],可估算出管板两侧壁面的温度分别为11和98℃; (5)换热器管板的上半部(布管区):该部分各壁面间的热交换十分复杂,难以准确确定边界条件。 实际中这样处理:在壳程一侧,因为物料的热传导系 数比管板的热传导系数小2~3个数量级,并且流动 缓慢,所以将该侧壁面作绝热边界条件处理;在管程 一侧,将管板壁面边界条件设置为估算的换热系数 α2=156W /(m2·K),周围介质的参考温度取冷却 水的平均温度35℃; (6)换热管与管板连接处:设为绝热边界条件; (7)换热器壳体的上半部:其内壁面同缓慢流 动的物料相接触,将其设为绝热边界条件; 另外,在1/4结构模型所对应的前后、左右对称面上,设为绝热边界条件。 3. 1. 2 有限元网格的划分 需进行温度场分析的部位,都具有规则形状,可用六面体单元划分,这样计算效率高。单元采用一 阶形式,共划分了34881个单元、87472个结点。经计算,得到温度场分布,同时发现管板和壳体间有较大的温差,可能引起较大的温差应力。 3. 2 结构有限元模型 结构分析和温度场分析采用相同的几何模型, 并增加考虑换热管模型。 3. 2. 1 有限元网格的划分 同温度场分析划分的网格相似,采用六面体单元划分,不同的是用二阶单元,且划分密度比它高,主要是考虑到应力场的变化比温度场的变化梯度大。此外,在每个管板开孔处,建立长度约为管板厚 度的圆筒模型,其截面同换热管截面相同,同时用二 阶六面体单元划分它,以模拟一段换热管。紧接着 建立杆单元,长度至换热器轴向中分处,杆单元的截 面特性为换热管的截面面积,用来模拟剩下的换热管。另外,圆筒两端上的单元结点分别与管板和杆 单元上的结点耦合。这样既可体现出换热管对管板 的弹性支撑作用,又节省了计算资源。如此,共划分 了53344个二阶六面体单元, 250个杆单元,模型中 共有250632个结点。有限元网格如图3所示。 3. 2. 2 载荷边界条件 由图3可见,换热器承受着壳程压力Ps、管程 压力Pt、螺栓力F和法兰垫片压力Pc的作用,前两 个力由已知工况条件直接得到,后两个受力需根据 法兰垫片预紧时的压力Pc=69 MPa、管程压力、螺 栓刚度,法兰-垫片刚度综合考虑[12],经计算,F= 115 kN,Pc=68. 4MPa。 温度载荷由温度场分析结果直接代入,再对杆 单元施加温度50℃。另外,换热管在管程和壳程压 力的作用下,会产生泊松效应,该变形可通过施加温 度载荷实现。经计算,该等效温升不到1℃,远小于 换热管的温升,可忽略不计。 另外,在结构的前后、左右对称面上施加法向位 移为零的约束条件,在杆单元的端点施加固定位移 边界条件,此外还需限制刚体位移。 4 计算结果及分析 4. 1 整体应力强度分布 经计算,可得到结构的位移和应力结果,结构整 体和管板部分的应力强度分布如图4所示。 从图4中可以看到,整体结构中,管板和壳体连 接处的应力比较高;其次,膨胀节部分的应力也比较 高。主要原因在于,前者是几何形状变化大的地方, 在各种载荷的作用下,易产生应力集中;而后者则是 因为膨胀节比较薄弱,其厚度不到壳体的一半,并且 换热器的下半部没有换热管的支撑加强作用,所以该处应力水平比较高。 在管板部分,应力强度的分布规律则是:在布管 区内,基本上呈环形过渡变化,中部的应力比较低, 随着离该中心区域的距离增加,则是应力水平增高, 到布管区的外边缘处,应力达到较高水平,在布管区 的上边缘(该处的管孔距离较窄)和右下角处,应力 强度达到了很高的水平,而非布管区内,则应力水平 比较低,应力变化也比较平缓。 4. 2 换热管拉脱力校核 从有限元求解中,可得到杆单元端点处结点的 支反力,即换热管的拉脱力结果,表3列出前三个最 大的拉脱力的数值及其位置。 从表3中可以发现,换热管最大的几个拉脱力 发生在图2的布管区的左、右下角处。该位置同图5中管板较高应力处的位置相同,其它各个换热管拉脱力的大小及位置分布规律,同图5中管板布管区的应力分布相一致,即:管板布管区应力高的地方,对应着该处换热管大的拉脱力;而管板布管区应力低的地方,对应着该处较小的拉脱力。由此可见, 换热管的拉脱力对管板上对应位置处的应力影响很大。 以上这几个最大拉脱力都小于设计温度下的许用拉脱力,是安全的。 4. 3 管板部分 在管板和壳体连接处应力比较高的地方,如图3所示位置,沿壳体的厚度方向做应力校核线A—A,得到应力强度沿该直线的分布,如图5中的TOTAL 所示。 用软件的应力分类算法进行应力分类,分类后 的结果如图6所示。用第三强度理论进行强度校 核,总应力σint= 397. 7MPa≥3[σ]t=294MPa,强 度校核未通过。主要是因为不均匀分布的温度载荷 作用效果[13]:壳体温度高,径向热变形大,而管板的 温度相对低,径向的热变形小,并且管板厚度大,抗 变形刚度大,所以对与管板连接地方的壳体约束刚 度强,造成该处比较高的应力水平。 针对这种有较大温差的管壳式换热器结构,可采用减少管板厚度和增加筋板等措施,以降低应力水平[14],使之满足强度条件。 如前所述,在图2中管板布管区上边缘处,由于管孔间距离较窄,有着较高的应力水平,取其中部两管孔之间的管桥,作应力强度分布云图,如图6所示。 从图6中可以发现,中部应力水平低,随着与中部距离的增加,应力不断升高,到管板的表面,应力达到最大值,这同板类结构弯曲变形下的应力分布规律相似,在两管孔之间的方向上,应力变化不大。另外还可发现,管板壳程一侧的应力水平比管程一侧的应力水平高,这主要是因为在管程一侧有管板 和换热管的焊缝连接加强作用。 取图6管桥上所有结点的各个应力分量结果,通过计算可得: 可见管板布管区边缘处满足强度校核。 5 结论 (1)由于管束只布置在壳程的上半部,管板和壳体间温差较大,其引起的应力也很大,体现在管板和壳体连接处有较高的应力水平,并且强度校核未通过; (2)在管板的布管区,应力强度云图呈环形过渡变化,中间低,外围高;而非布管区的应力水平较低,且变化比较平缓,这同管束轴对称布置的管板上应力分布规律相似; (3)几个最大的换热管拉脱力都发生在布管区的左右下角处,并且换热管拉脱力的分布同管板布管区的应力分布规律相一致,可见其对管板上对应位置处的应力影响很大。 参考文献: [1] GB 151—1999,钢制管壳式换热器[S]. 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