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大型管板式换热器管板温度场及热应力场分析点击：1923 日期：[ 2014-04-26 22:32:09 ] |
| 摘 要:采用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ,对某大型固定管板式换热器管板的稳态温度场和热应力场进行了三维有限元分析。采用ＡＰＤＬ语言建立了包括管箱、筒体和2433根换热管在内的四分之一管板的参数化模型。分析了对流边界条件下管板的温度场和相应的热应力场,提出并论证了温度场和热应力场迭代计算的必要性,得到了该边界条件下管板温度场和热应力场的分布规律。 关键词:有限元分析; 大管板; 温度场分析; 热应力场分析 1 前 言 管板是管壳式换热器最主要的承压元件之一,与换热管、管箱、筒体等连在一起构成复杂的弹性体系。管板对整台换热器的安全性和经济性有着非常重要的影响。常规的计算方法是根据弹性薄壳理论,用等效无孔实心板来代替多孔管板,采用比较简单的公式、曲线、图表进行设计计算。但没有考虑管板上各点的温度差引起的应力,同时还受到换热器规模的限制。本文所研究的某大型固定管板式换热器的公称直径为5380ｍｍ,远远超出常规设计的范围。目前在国内尚未对如此大直径管板的温度场和热应力场进行研究。 本文采用分析设计法,应用大型分析设计软件ＡＮＳＹＳ建立了管板的参数化模型,对其温度场和热应力场的分布规律进行了分析和讨论。 2 建立参数化有限元分析模型 2.1 几何模型结构尺寸及工艺条件 2 1 2 几何模型的结构尺寸 换热器结构简图如图1所示,为单管程和单壳程结构。几何模型的主要结构尺寸见表1。 2 1 2 工艺条件 管程和壳程流体温度和平均对流传热系数见表2,所有的工艺条件和材料物性均由厂方提供。 2.2 建立参数化有限元分析模型 2 2 1 模型简化由表2可知,在上管板处,管程和壳程流体的温差最大,故本文只讨论上管板模型的温度场和热应力场,建立包括上管板、上管箱、部分壳体和部分换热管在内的模型。在建立模型时,考虑如下简化: ａ 对称性。由于管箱上少量接管的位置不对称,所以管板的实际几何模型没有对称平面。但根据圣维南原理,接管对管板的温度场和应力场的影响可以忽略不计。所以实际的管板模型可以简化为具有两个对称平面的四分之一模型,如图2所示。 ｂ 边缘效应。由于模型很大,为减小单元数目和保证计算结果比较精确,可根据如下的边缘效应影响公式确定模型中壳体和换热管沿壳程方向伸出管板的长度。Ｌ≥2.5Ｒｔ由上式可得换热管的伸出长度Ｌｔｕｂｅ≥18 3ｍｍ,壳体的伸出长度Ｌｓｈｅｌｌ≥1302.7ｍｍ。在此模型中,换热管沿壳程方向伸出管板的长度取为200ｍｍ,壳体沿壳程方向伸出管板的长度取为1310ｍｍ。 ｃ 其他简化。为了建模方便,忽略换热管在管程侧的伸出长度,壳程和管程的腐蚀裕量均取为3ｍｍ(原壳程腐蚀裕量为3ｍｍ,管程腐蚀裕量为1 5ｍｍ)。换热管和管板采用强度焊加贴胀,认为二者结合紧密,不考虑换热管与管板的接触问题。 2 2 2 模型单元类型 温度场分析采用的单元是8节点六面体热分析单元Ｓｏｌｉｄ70。热应力场分析采用的是8节点六面体结构分析单元Ｓｏｌｉｄ45。二者可以相互转化,并都具有退化功能,便于生成复杂的网格,比较适用于该模型。 |
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