文档介绍：柔性薄管板换热器的结构分析与优化
叶增荣
南京金凌石化工程设计有限公司,江苏南京
摘要:运用对采用柔性薄管板的换热器建立了热分析与结构分析的有限元模型,分析了柔
性薄管板的温度场及应力场,得出了管板上的应力分布及最大应力发生部位。根据应力分析结果
对影响管板应力的主要结构参数如管板厚度、换热管中心距、不布管区宽度、管板与壳体连接处的
转角结构和转角半径进行了分析优化,得到了较合理的设计结果。
关键词:柔性薄管板;有限元;应力分布;结构优化
中图分类号:;. 文献标识码: 文章编号:———
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传热良好,沿板厚的温度梯度小,通常无明显“表
引言皮效应”现象【。柔性薄管板换热器的布管方式
通常在管板周边存在较大的不布管环行区域即
柔性薄管板是一种特殊结构的薄管板,表现,而—《钢制管壳式换热器》仅
出不同于普通管板的特征。普通管板在温差载荷适用于管板周边不布管区较窄即的情
作用下只在靠近管板表面的一层金属中存在较大况,因此不适合采用计算管板厚度,对
的温度梯度称为“表皮效应”,因而只在管板表柔性薄管板的设计计算一般均采用有限元的应力
面处存在显著的热应力,而其余部分热应力可以分析法。
忽略¨ 。通常由于薄管板板厚不大,因此管板文中以一台气气换热器为例,采用有限元法
柔性薄管板换热器的结构分析与优化
全实体建模,对管壳程压力载荷和温度载荷同时
作用的正常操作工况下的换热器进行温度场和应
力场的分析计算,对管板处的应力分布规律进行
了分析和讨论,探讨改善柔性薄管板结构设计的
方法。
结构与参数
该换热器基本设计参数见表。换热器的管中心布管区
板采用了普通柔性薄管板结构,如图所示,管板
与壳体通过圆弧过渡结构形式连接,管板材质为
锻件,换热管材质为钢
管。在管程壳体内壁及管程侧管板的非布管区敷
设了一层厚的轻质隔热浇注料,避免高温图普通柔性薄管板结构简图
气流直接接触管程侧壳体内壁和管板本文为讨
. 单元的选取
论换热管中心距的改变对管板应力的影响,轻质
温度场分析采用节点六面体热分析单元
隔热浇注料仅敷设管程壳体内壁及管板与筒体转
,热应力场分析采用节点六面体结构分
角连接处附近区域。
析单元。
表基本设计参数. 边界条件
.. 温度场边界条件的确定
参数壳程管程
温度场边界条件的加载如图所示,其中各
介质过程气过程气对流传热系数值均由工艺软件包提供。
工作压力/ . .
工作温度进/出口/ / / 煎堡垫墨塑外保温层硅酸铝纤维
换热管规格/ ×× ··一\ //
换热管数量
换热面积/
管间距/ 壹墨远篮垫墨錾
寸轻质隔氛导.··’
管程对流
壳体直径/ 堡塑墨
主体材质. ’。。
建立有限元模型
. 有限元模型的建立
图温度场分析的边界条件
根据气气换热器管板结构的特点,有限元模
型作如下简化: .. 热应力场分析的边界条件
根据结构的对称性及承载特性,有限元在壳程筒体端面和换热管端面约束