基于ANSYS的固定管板换热器有限元分析.pdf

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1、第5期-5-论文广场基于ANSYS的固定管板换热器有限元分析杨连红，王强，尹权（中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司，辽宁葫芦岛125001）[摘要]建立了固定管板式换热器的有限元分析模型，按标准方法计算六种工况下管板应力、壳程筒体的轴向应力以及换热管的轴向应力。同时采用JB4732-1995的方法对管板与筒体的应力进行评定，采用GB/T151-2014的方法对换热管的轴向应力、拉脱力进行评定。结果表明，管板及换热管满足结构的强度要求。[关键词]固定管板换热器；轴向应力；拉脱力；热应力；有限元法固定管

2、板换热器为石油化工装置中的典型设备之一，聚合物脱挥系统由上游换热器、一级脱挥罐、下游换热器以及二级脱挥罐组成，本文涉及的换热器是聚合物脱挥系统中的下游换热器，它起到对脱挥聚合物的加热挥发和分布器的作用。换热器管程内介质为聚合物，其黏度很高，因此在换热管内加入螺旋内插件，是为了大幅度提高换热效果，但聚合物在换热器管内向下流动的压降很大，因此换热器内管需要高的压降。物料在换热器出口流出直接降到下部二级脱挥罐内，挥发成分被真空泵抽出。聚合物从二级脱挥罐底部出料，进入后续混合和造粒工段。为了提高脱挥效果，物料在该

3、换热器内需要60s或更长的停留时间；设备公称直径为DN1400mm，经工艺计算确定换热管为φ34×3mm，管间距为48mm，长度为2000mm，需要换热管683根。固定管图1固定管板换热器结构简图板换热器结构简图如图1所示。1.1换热器设计参数如表1。1换热器主要技术参数表1换热器设计参数特性表设计规范GB/T151-2014《热交换器》TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》数值计算方法有限元部位壳程管程操作压力MPaG1.45上管箱：4.76，下管箱：0.09设计压力MPaG1.6

4、上管箱：5.1，下管箱：0.5工作温度℃250210设计温度℃300300平均金属温度℃230230主体材质S30408S30408/S30408III腐蚀裕量mm00介质导热油聚合物溶液（聚丁烯、丁烯）作者简介：杨连红（1968—），男，辽宁葫芦岛人，1991年7月沈阳工业大学金属材料系热加工专业毕业，学士学位，高级工程师。在中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司设计研究院任压力容器设计审核人，工艺责任师。石油和化工设备-6-论文广场2016年第19卷2.2换热器材料参数如表2。表2换热器材料参数表材

5、料名称设计温度℃许用应力强度SmMPa泊松比S30408（壳体及换热管）3001140.3S30408III（管板δ=250mm）300850.3S30408III（管板δ=250mm）200960.32.3热分析材料特性参数如表3。表3换热器热分析的材料参数表S30408温度20℃50℃150℃200℃250℃300℃350℃400℃-3热导率10W/(mm•℃)14.115.416.116.817.618.319.019.7平均线膨胀系数10-6mm/(mm•℃)16.3816.8417.0617.2

6、517.4217.6117.7917.995弹性模量10MPa1.951.891.861.831.791.761.721.692-6空气对流传热系数W/(mm•℃)12×10注：钢材的热导率取自ASMEⅡ-D，其余材料常数取自GB150.1～150.4-2011。2计算原理及工况2.1换热器模型的建立换热器设计时所有的开孔首先应满足[1]GB150.1~150.4-2011《压力容器》的相关规定。在应力分析过程中对模型进行适当简化，忽略各种开口的存在，既不影响整体计算结果的准确性，又大大简化了计算工作量。

7、取换热器的上下管板、壳程筒体以及换热管为分析对象，根据该结构及载荷特性，建立1/4结构模型。以设备中心线方向为Z轴，按照右手定则建立直角坐标系。热分析采用Solid70单元，结构分析采用Solid185单元。先计算机械场（设计工况），再计算温度[2]图2固定管板换热器有限元模型场，并将热应力与机械应力（设计工况）耦合。具体有限元网格模型如图2所示。下管板螺柱面（下方）施加轴向约束；结构2.2载荷及边界条件的施加纵向对称面施加对称约束。[3]2.2.1载荷2.2.2.2力学边界条件该模型需要施加的载荷包括管

8、程内压、壳程(1)温度载荷。管程施加温度边界条件，温内压、螺栓等效力、垫片等效力以及温度载荷。度为210℃；壳程施加温度边界条件，温度为因为管程存在压差，载荷的施加做如下处理：上250℃；壳程筒体外表面施加相应的空气对流边界管板的上表面受压面以及换热管内表面施加管程-62条件12×10W/(mm•℃)，环境温度20℃。最大压力5.1MPa，下管板的下表面受压面施加管程最小压力0.5MPa。其分析结果趋于保守。(2)机械载荷①结