固定管板式换热器的温差热应力数值分析.pdfVIP

第 36卷 第 1期 化 工 机 械 4l 固定管板式换热器的温差热应力数值分析 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一距离函数关系式，在 ANSYS软件 中对 固定管板式换热器 的换热管、 壳体和管板表面加栽进行结构热分析 ，得到 了温度分布模 型。还将所得 的节点温度作为热载荷加栽到 结构时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 认为，在布管区与非布管区过渡处 、管板与壳体连 大主要构件彼此连接在一起 ，而换热过程 中它们 接处有较大的温度梯度 ，而管子与管板胀接处的 分别与不同温度 的流体接触 ，势必产生温差，从而 接触热阻使管板中的 “表面热效应”减小，并使管 使得构件间产生不同的热变形量，造成 刚性连接 板厚度方向的温度梯度均匀化 。 的构件间的热变形受到约束 ，进而产生温差热应 本文重点考虑了固定管板式换热器中热变形 力。目前公开发表的大多数文献集中研究 以换热 受到相互约束的构件系统 ，用 CFD软件对结构整 器部分结构建模 的温度场及热应力分析 ，例如管 体温度场进行数值计算 ，并利用 ANSYS热一结构 板的温差热应力分析就是一个重点。而对于在相 耦合分析技术 ，研究了固定管板式换热器的温差 互约束条件下，换热器的管束 、管板和壳体的整体 热应力场 。在分析中考虑了换热器管束 、管板和 模型结构的整体热应力研究并不多 。文献 [1]中 壳体之间的相互约束关系，建立简化分析模型，并 把换热器管板视为各向同性的轴对称结构，在材 以CFD数值模拟得到的各个相应壁面温度数据 料的弹性范围内，且弹性模量和热膨胀系数保持 作为依据 ，制作了简化的温度体载荷加载函数，在 不变的情况下计算热应力 ，但是没有给 出管板壁 生成温度体载荷加载文件 的基础上 ，进一步研究 温的计算方法。Gandner 分析认为板 中只在靠 了结构温差热应力。 近板表面的一层金属中存在较大的温度梯度 (称 1 结构及参数 为 “表皮效应”)，因而只在板表面处存在显著的 用于数值计算的换热器如图 l所示。主要结 热应力 ，而其余部分热应力可以忽略，但是实际上 构参数为管心距 P．：19ram，管板 厚 6=12mm， 管板的温度场要复杂得多。Sign等人 考虑到 壳体 l15mm ×6．5mm ×1406mm，换热 管 l8． 三维有限元分析的复杂性 ，对管板进行 了各种简 612mm×3mmx1500mm，导流筒 692mm ×1mm 化分析。薛明德和吴强胜 试 图从管板 (包括与 ×120mm，折流栅 Dh。=6100mm，Dbi=689mm，折 其相连的换热管与壳体)的温度场 、热应力场分 流杆直径 D =3．2mm，折流栅间距 B=50ram。蒸 析出发去探讨改善管板设计的途径 ，提 出了一种 汽温度为 110~C。壳程介质为 自来水 ，进 口速度 分析换热