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1、------------------------------------------------------------------------------------------------固定管板式换热器的温差热应力数值分析第36卷 第1期 化 工 机 械41郭崇志 周 洁(华南理工大学)＊摘 要 建立由管板、壳体和换热管组成的有限元分析简化模型,利用通过CFD数值模拟得到的各个相应壁面温度数据拟合而成的温度-距离函数关系式,在ANSYS软件中对固定管板式换热器的换热管、壳体和管板表面加载进行结构热分析,得到了温度分布模型。还将所得的节点
2、温度作为热载荷加载到结构对应点上计算换热器的整体温差热应力,着重分析管板与管子及壳体连接处附近的热应力分布,并给出了沿管板径向和厚度方向上的热应力变化曲线。关键词 固定管板式换热器 温差 热应力 数值分析中图分类号 TQ051.5文献标识码 A文章编号 0254-6094(2009)01-0041-06 固定管板式换热器中的管束、管板和壳体三大主要构件彼此连接在一起,而换热过程中它们分别与不同温度的流体接触,势必产生温差,从而使得构件间产生不同的热变形量,造成刚性连接的构件间的—————————————————————————————————
3、—————------------------------------------------------------------------------------------------------热变形受到约束,进而产生温差热应力。目前公开发表的大多数文献集中研究以换热器部分结构建模的温度场及热应力分析,例如管板的温差热应力分析就是一个重点。而对于在相互约束条件下,换热器的管束、管板和壳体的整体模型结构的整体热应力研究并不多。文献[1]中把换热器管板视为各向同性的轴对称结构,在材料的弹性范围内,且弹性模量和热膨胀系数保持不变的情况下计算热
4、应力,但是没有给出管板壁温的计算方法。Gandner分析认为板中只在靠近板表面的一层金属中存在较大的温度梯度(称为“表皮效应”),因而只在板表面处存在显著的热应力,而其余部分热应力可以忽略,但是实际上管板的温度场要复杂得多。Sign等人考虑到三维有限元分析的复杂性,对管板进行了各种简化分析。薛明德和吴强胜[6][3～5][2]认为,在布管区与非布管区过渡处、管板与壳体连接处有较大的温度梯度,而管子与管板胀接处的接触热阻使管板中的“表面热效应”减小,并使管板厚度方向的温度梯度均匀化。本文重点考虑了固定管板式换热器中热变形受到相互约束的构件系统,用
5、CFD软件对结构整体温度场进行数值计算,并利用ANSYS热-结构耦合分析技术,研究了固定管板式换热器的温差热应力场。在分析中考虑了换热器管束、管板和壳体之间的相互约束关系,建立简化分析模型,并以CFD数值模拟得到的各个相应壁面温度数据作为依据,——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------制作了简化的温度体载荷加载函数,在生成
6、温度体载荷加载文件的基础上,进一步研究了结构温差热应力。1 结构及参数用于数值计算的换热器如图1所示。主要结构参数为管心距P19mm,管板厚δ=12mm,t=壳体115mm×6.5mm×1406mm,换热管18-12mm×3mm×1500mm,导流筒92mm×1mm×120mm,折流栅D100mm,D89mm,折bo=bi=流杆直径D3.2mm,折流栅间距B=50mm。蒸r=汽温度为110℃。壳程介质为自来水,进口速度v0.3m/s,主体构件材料为Q235,密度7840kg/i=[7]试图从管板(包括与其相连的换热管与壳体)的温度场、热应力场分
7、析出发去探讨改善管板设计的途径,提出了一种分析换热器管板温度场的简化方法。冷纪桐等人,,年月生,。,。423 化 工 机 械 2009年-6m,热膨胀系数1.6×10,导热系数47.5W/(m·℃),弹性模量210GPa,泊松比0.3,管程介质为饱和水蒸气,——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------壳程介质为常温自来水。
8、为了模拟最大温差应力,采用并流布置。后进行热分析,得到模型的温度分布;然后删除全部体载荷,将热分析单元类型转换为结构分析单元,施加约束并读入之前生成的
