预变形加载方式对预应力换热器性能的影响.pdf

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1、58化工机械2012年预变形加载方式对预应力换热器性能的影响郭崇志。林桥(华南理工大学)摘要通过建立由壳体、管板以及换热管等构成的固定管板换热器有限元分析模型，研究了不同的制造技术对预应力换热器性能的影响，探讨了给定温度场下，两种预变形加载方式对管板强度的影响，得到了管板与管子连接局部应力随预变形变化的规律。研究发现，两种制造技术得到的预应力换热器都能显著降低管子与管板连接局部的应力集中，而分段加裁技术具有更强的适应性和经济性。关键词固定管板换热器预应力换热器预变形加载制造技术中图分类号TQ051．

2、5文献标识码A文章编号0254石094(2012)OlJ0058-04固定管板换热器中，过大的管壳壁温差引起的温差应力是导致结构破坏的主要原因之一，为了降低换热器中的温差应力以及由此引起的破坏，郭崇志提出了一种通过施加预应力来降低运行中的换热器温差应力的制造专利技术⋯，陈文昕等曾对某预应力换热器进行过粗略的计算，并将预应力换热器和相应的普通管壳式换热器的计算结果进行了对比，结果表明预应力技术能有效降低换热器的温差应力旧1。在制造固定管板换热器过程中，重点是采用何种方式来实施预变形加载从而获得预期的性

3、能。为此，笔者提出了两种加载技术，即“整体加载”和“分段加载”技术，并对这两种技术获得的预应力换热器性能进行了分析。1建模1．1几何模型结构尺寸及工艺条件几何结构模型如图l所示，为折流杆固定管板式换热器，其主要结构尺寸如下：管板厚度612mm管板外径125mm导流筒几何参数咖92mm×1mm×120mm管心距P。19mm(正三角排列)壳体西115mm×6．5mm×l476mm换热管18一咖12mm×3mm×l500mm为了得到管、壳程较大壁温差，两种介质流向为并流，其主要工艺条件见表1。图l换热器结

4、构简图表1工艺条件1．2模型的简化及单元类型的选取建立了由管板、壳体和管柬3种主要构件组成的1／2对称简化模型，并利用ANSYS对预应力换热器进行热一结构耦合分析，取solid作为耦合分析单元，同时设置换热管为预拉伸单元。为了在ANSYS结构分析模型中使用FLUENT的流体流动与传热模型的计算结果【3’4】，在两个软件中建立模型时，要求几何形状保持一致”。1，并采用“分段模拟，整体综合”方法"“叫进行CFD分析。1．3预变形量的两种加载制造过程对换热管施加预变形时，目前有两种·郭崇志，男。1956年

5、11月生，高级工程师，硕士生导师。广东省广州市，510640。第39卷第1期化工机械加载方式：一种是整体加载技术”1，即对所有的换热管施加相同的预变形量；另一种是分段加载技术”1，即沿管板的径向加载不同的预变形量。假定管板外圆周边缘在轴向(z向)上的变形为零，而各层管排近似视为若干同心圆，每个同心圆层上需要加载的预变值根据中心点变形量，按照变形曲线算出。1．4定义路径图2给出了在出口管板上定义的路径D，人口管板定义的路径x。蹄往路径x图2两条路径定义示意图1．5预变形量的确定图3是在路径D上换热管和

6、壳体的轴向自由热膨胀差模拟结果，据此可以确定预变形加载的范围。图3路径上轴向位移变化2求解结果比较2．1两种预变形的预应力结果对比图4给出了两种预变形加载得到预变形和最大热应力的关系。由图4可见，无论何种加载，随着预变形量的增加，最大应力(以下主要讨论等效热应力，轴向热应力作为参照)呈现先降后升的趋势，这说明存在着一个最优的预变形状态，对应温差应力最小状态；与最优预变形状态相比，未施加预变形的(常规)换热器的最大应力往往超过预应力换热器2—3倍。可见经过优化预变形处理的预应力换热器，与常规换热器相比

7、具有非常优越的承载条件；两种加载方式下，整体加载比分段加载更先达到最优预变形量；随着预变形量的增加，开始整体加载的等效应力比分段加载小，随后整体加载得到的等效应力比分段加载得到的大；在最优预变形下，整体加载方式对应的最大应力小于分段加载方式，因为分段加载方式总的预变形量大于整体加载方式。=杂型R型a整体加载b分殷加赣图4最大应力随预变形变化曲线2．2路径分析结果图s所示为路径D上，两种加载方式下，不同预变量对应的等效应力曲线。芒暑棠型祭埽a整体加载化工机械2012年．636mm．736mm．836m

8、m936mm．036mm．086mm．136mmO20406080100120路径，mmb．分段加载图5等效应力随预变形的变化曲线由图5可得出以下结论：a．常规(无预变形)换热器的等效应力曲线的总趋势是管板中心部位的管桥应力比管板边缘的应力高。此外，管口附近应力分布的均匀性差，在布管区管子的孔口边缘附近应力陡然上升，意味着孔边缘存在很高的应力集中，而在管板边缘附近的管子孔口附近应力陡增情况趋缓，但还是存在较大的应力集中。b．随着预变形量的增加，管桥应力降低，孔口附近的