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温度应力对换热器管束动特性的影响分析点击：1847 日期：[ 2014-04-26 22:21:21 ] |
| 温度应力对换热器管束动特性的影响分析 1.王珂 2.赖永星 2.王贺郑 (1 郑州大学化学工程学院 2 郑州大学工程力学系) 摘要:为了研究分析温度应力对固定式换热器管束动特性的影响,提出了精细有限元模型分析和简化有限元模型分析。精细模型把壳体、固定板、折流板采取空间壳单元模拟,换热管采用空间梁单元模拟进行分析计算。简化模型取折流板缺口处的换热管为研究对象,采用空间梁单元模拟进行分析。从计算结果可以发现,当壳壁的温度大于管壁温度时,应力刚化使换热管的自振频率有不同幅度增加,增幅最小的固有频率增幅较小,当壳壁的温度小于管壁温度时,应力软化使换热管的固有频率有不同幅度的减小,减幅最大的固有频率减幅较大。 关键词:换热器管束 预应力 动特性 固有频率 随着石油工业和核工业的发展,换热器的规格急剧增大,流速越来越快,因壳侧错流诱发的振动破坏日益增多。据不完全统计,因振动损坏的换热器几乎占损坏总数的30%,可见振动已成为换热器损坏的重要原因。振动损坏主要由管子振动引起,与管子的固有频率密切相关,为了进行动力分析,避免其因流体诱导的振动、地震而遭到损坏,必须准确地计算管子固有频率这一重要的特性参数。在固定管板式换热器中,当管壁与壳壁的温差较大时,在管、壳中将会产生很大的轴向应力,可能严重影响换热器管束的刚度。笔者采用精细有限元模型分析了温度应力对某固定管板式换热器管束动特性的影响。采用精细有限元模型虽然能够得到较为准确的计算结果,但将耗费大量的人力和计算机机时。为了简化计算,笔者还进行了简化有限元模型分析研究,通过对2种模型的计算结果进行分析对比,得出了一些有益的结论。 模型构建及有限元离散化 某固定管板式换热器壳体厚度12mm;固定管板厚66mm;折流板厚为12mm;换热管的直径为25mm×2mm;固定管板尺寸D=1 36m;公称直径DN=1 2m;固定管板与折流板间距为0 45m;折流板的间距为0 6m。笔者采用2种有限元模型对固定管板式换热器管束进行动特性分析,模型1(精细模型):壳体、固定管板、折流板采用空间壳单元模拟;换热管采用空间梁单元模拟。固定管板式换热器的封头温度变化对管束动特性的影响较小,为了计算简化,在建模时忽略换热器的封头。在固定管板与换热管接触处,将2个重合的节点完全耦合;在折流板与换热管接触处,将2个重合节点UX和UY的自由度耦合起来;在折流板与壳体接触处UX和UY的自由度耦合起来;将换热器的支座按固定约束处理。整个模型共剖分54184个空间壳单元,49374个空间梁单元。具有几何特性形状的有限元网格划分如图1所示。模型2(简化模型):因折流板缺口处的换热管刚度最小,取折流板缺口处的换热管进行研究。换热管采用空间梁单元模拟,按多跨管处理,在管板处简化为固定端支撑,在折流板处简化为简支。整个模型共剖分78个空间梁单元。具有几何特性形状的有限元模型如图2所示。 当换热管与壳体材料的线膨胀系数相等时,决定换热管轴力大小的主要因素是管壁与壳壁的温差,为了简化起见,共考虑以下2种工况:工况1在换热器壳壁上加100℃;工况2在换热器壳壁上加-100℃。 计算及结果分析 将该换热器结构离散为有限元模型,可以得到其自由振动方程为[1] 对于模型1(精细模型),直接在壳壁加温度进行动特性计算。对于模型2(简化模型),在工况1和工况2的情况下,分别采用精细模型和简化计算方法[2],计算出折流板缺口处换热管所受的轴力后,施加在换热管上进行动特性计算。其中简化法计算轴力为11119 9N(工况1)、-11119 9N(工况2);精细模型计算轴力为3238 9N(工况1)、-19357N(工况2)。笔者采用分块的兰索斯法(BlockLanczos)计算了2种模型在2种工况下的振型和自振频率,计算结果列于表1和表2。限于篇幅,只给出了一阶振型图,如图3和图4所示。 从精细模型的计算结果可以发现,当壳壁的温度大于管壁的温度时,应力刚化使所有换热管的自振频率都有不同幅度的增加,自振频率增幅最小的固有频率增幅较小,算例中最小增加幅度仅为4 578Hz。当壳壁的温度小于管壁的温度时,应力软化使所有换热管的固有频率都有不同幅度的减小,减幅最大的固有频率减幅较大,算例中最大减小幅度为42 623Hz。因此设计换热器时,当壳壁的温度小于管壁的温度时,就必须考虑温度变化对换热器管束动特性的影响。2种工况都有较宽的频率带,工况1第一阶频率带宽为18 263Hz,工况2第一阶频率带宽为37 881Hz。 在固定管板式换热器中,当管壁与壳壁的温差较大时,产生上述现象是由于受管板变形等因素的影响,使管束中各管产生的轴力大小不一造成的,符合物理概念。当壳壁的温度小于管壁的温度时,管束中产生受压轴向力较大的管主要分布在折流板缺口处区域,所以固有频率减小的幅度较大。而当壳壁的温度大于管壁的温度时,管束中产生受拉轴向力较大的管主要分布在折流板中心区域,在折流板缺口处区域轴向力变化并不大,所以最小固有频率增加的并不大。管束受力不均,也是管束的频率存在较宽频率带的原因。 由表1和表2的计算结果比较可看出,利用简化模型施加由精细模型获得的轴力,由此计算的固有频率与采用精细模型求出的最小固有频率较为接近。因此,当管壁与壳壁的温差较大时,可由精细模型准确计算出换热管所受的轴力,然后施加于简化模型,计算由温差引起的换热器管束最小固有频率的变化。但必须指出不能采用简化法计算换热管所受的轴力,计算由温差引起的换热器管束最小固有频率的变化,否则将会造成较大误差。另外采用简化模型无法计算管束的频率带宽。 结论 (1)当壳壁的温度大于管壁的温度时,应力刚化使所有换热管的自振频率都有不同幅度的增加,增幅最小的固有频率增幅较小。当壳壁的温度小于管壁的温度时,应力软化使所有换热管的固有频率都有不同幅度的减小,减幅最大的固有频率减幅较大。因此设计换热器时,当壳壁的温度小于管壁的温度时,就必须考虑温度变化对换热器管束动特性产生的影响。 (2)温度预应力使换热器管束具有较宽的频率带。 (3)在固定管板式换热器中,当管壁与壳壁的温差较大时,产生上述现象是由于受管板变形等因素的影响,使管束中各管产生的轴力大小不一造成的。 (4)当管壁与壳壁的温差较大时,虽可采用简化模型分析由温差引起换热器管束动特性的变化,但必须采用精细模型准确计算出换热管所受的轴力,而不能采用简化法计算换热管所受的轴力,否则将会造成较大误差。 参 考 文 献 1 王勖成,邵 敏 有限元法基本原理与数值方法 北京:清华大学出版社,19882 聂清得,吴 东 化工设备设计 北京:化学工业出版社,1991:91～92 |
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