中心开大孔换热器管板的设计---开题报告.doc

毕业设计(论文)开题报告 题 目： 中心开大孔换热器管板的设计 学生姓名： 学 号： 专 业： 过程装备与控制工程 指导教师： 2010年 3月20日 1 文献综述 1.1 引言 换热器是进行热交换操作的通用设备，广泛应用于化工、石油、轻工、食品、医药、动力、核能、电站以及空调、制冷等许多行业。特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有重要地位。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10~20%，在炼油厂中，约占总投资的35~40%[1]。 与管板式换热器管板计算有关的理论问题，目前是一个活跃的研究领域。因为管板的实际受力情况十分复杂，在研究中往往将实际情况加以理想化，以进行强度分析、推导和论证，这导致计算与实际情况存在差异。在管壳式换热器内，由于封头、管箱、壳体、管子的内压强度和外压稳定计算，以及支座的强度计算及其壳体部分的局部应力计算，与普通压力容器相同，而在换热器的实际使用中经常碰到在管板和法兰部分发生泄漏。因此，管壳式换热器管板的应力分析和计算就显得非常重要。管板是连接壳体、管束和管箱，并承受压力和热膨胀以及来自此部件的载荷的主要部件，是管壳式换热器不可缺少的重要元件[2]。 1.2 管板理论的发展 管板的结构、承载均十分复杂，它的可靠性使国内外工程技术界对之进行了广泛的研究。到目前为止，管板的设计计算方法大致可分为两种。一种是弹性基础上的当量实心板理论，该理论以等效弹性常数概念为基础，主要用于管壳式换热器设计。另一种管板计算方法基于光板弯曲理论，这是一种简化的设计方法，主要用于锅壳锅炉和管壳式废热锅炉的强度计算以及薄型管板的设计[3]。 从文献[4]知，1948年，Gardner首先提出了当量实心板的概念。即在承受相同载荷时，用相同特性的当量实心板来代替真实多孔板。定义一个因数来减小开孔对管板的削弱影响。由于缺少实验结果，Gardner又据最小带宽提出了关于的计算式。 1952年Malkin和Horvay建立了另一种描述开孔对板削弱的方法。他们采用确定当量实心板的有效弹性模量和泊松比来代替确定当量实心板的抗挠刚度的方法，以使当量实心板的挠度与真实开孔板的挠度相一致。 1959年，Salerno和Mahoney提出了一个比Horray和Duncan理论更细致的理论，然而，它与实验结果不大一致。 1960年，Sampson用光弹法在矩形塑料板中进行了实验。对于两个垂直方向内的平面载荷，E*/E的值和载荷方向无关。对于弯曲载荷，和值与载荷方向无关。同年，Leven在圆形塑料板上通过试验检查了这些结果，测量的挠度与使用Sampson有效弹性常数计算的结果一致。由此得出结论：这些值比Horvay和Malkin的值更准确，更真实。 1962年，O’Donnell对这些结果进行了综合，为了确定E*/E和v*，对于具有三角形节距的多孔厚板(h＞＝2p)，将它们作为孔间带系数的函数，提出一组平面载荷状态下和弯曲载荷状态下的曲线。 人们对薄管板光板理论弯曲理论的研究远远没有当量实心板理论多。实际上，光板弯曲理论没有准确的理论基础，但大量应用实践（特别是在中、低压锅壳锅炉上的应用）证明，这种设计方法是可行的，是安全的。在管壳式废热锅炉管板设计中也经常采用此法，但一般需要进行有限元应力分析校核。 有限元方法是在20世纪中叶被提出来的。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空界的结够强度计算，并由于其方便性、使用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法[3]。 1.3 国内外主要标准规范 1.3.1 国外主要规范 国际上几个重要的工业化国家对管板的安全评定都有自己的一套安全规范。他们对管板的设计、计算和安全评定都做了相应的假设。大致可以分为[5]： 1）美国TEMA标准和日本工业标准 采用的是简单而实用的公式。假设的条件是将管板看成为周边支承条件下均布载荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式。考虑到管孔的削弱，再引入经验性的修正系数。其局限性较大。 2）德国AD规范 其采用的计算公式是见管子当作管板的固定支撑而管板是受管子支撑着的平板。管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。实践证明，这种公式适合于各种薄管板的强度校核。 3）英国BS标准 它推荐的计算公式是认为管板是弹性基础上受均布载荷的多孔圆板，既考虑到管子的加强作用，又考虑到管孔的削弱作用。因此分析问题比较全面。 4）美国ASME规范