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基于ANSYS的雙管板換熱器管板厚度設計探討

點擊:1570 日期:[ 2014-04-26 21:35:55 ]
                  基于ANSYS的雙管板換熱器管板厚度設計探討                        楊玉強1,賀小華2,楊建永1    (1.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院,江蘇南京210002;2.南京工業大學機械與動力工程學院,江蘇南京210009)    摘要:由于雙管板換熱器管板結構的多樣性,其管板厚度設計方法目前國內沒有標準可依。針對某U型管及固定管殼式換熱器雙管板結構,根據SW6軟件相應模塊進行管板厚度近似計算,在此基礎上采用ANSYS軟件對管板結構進行熱應力分析和優化設計,進一步討論了聚液殼結構的影響。分析結果表明,雙管板換熱器管板厚度采用SW6軟件近似計算是安全的,但結果過于保守。有限元優化設計有效地降低了管板厚度,為雙管板換熱器管板設計提供了有效手段。    關鍵詞:雙管板換熱器;管板厚度;聚液殼;熱應力;有限元優化設計    中圖分類號:TQ051.5;O241.82文獻標識碼:A文章編號:1001-4837(2010)10-0030-06    doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2010.10.006    0·引言    雙管板換熱器是在換熱器一端設有一定間距的兩塊管板或相當于有一定間距的兩塊管板的換熱器。在實際操作中,雙管板換熱器一般用于以下兩種場合[1]:一種是絕對防止管殼程間介質混串的場合;另一種是管殼程間介質壓差很大的場合。    目前,雙管板換熱器的管板厚度設計方法,國內沒有標準可依,通常采用近似方法將雙管板換熱器分解成兩部分,然后根據每塊管板兩側所接觸的介質壓力與溫度按GB 151—1999[2]相應模塊來進行設計計算,此方法的合理性和安全性值得商榷。國外TEMA—1999[3]雖然給出了3種雙管板換熱器管板設計方法,但與本文結構不符,且沒有工程設計軟件。文中基于雙管板換熱器的管板設計現狀,運用ANSYS軟件對U型管及固定管殼式雙管板換熱器管板結構進行了熱應力分析,并與近似計算方法進行比較,進一步討論了聚液殼結構對雙管板換熱器的影響,并對雙管板換熱器的管板結構進行優化設計,為雙管板換熱器管板設計方法提供依據。    1· U型管雙管板換熱器    U型管雙管板換熱器的設計參數及主要的幾何尺寸見表1,2,結構見圖1。                1.1雙管板間距的確定      由于雙管板換熱器兩塊管板的使用溫度不同,因此當兩塊管板的溫度從常溫升到操作溫度的過程中,產生徑向位移,引起彎曲應力和剪應力。為避免管板與換熱管的連接處產生很大的應力而造成介質泄漏,可以在兩塊管板之間加上適當間距的聚液殼,讓換熱管產生撓曲。參照文獻[4],殼程與管程管板之間間隙長度L的計算方法如下:                               1.2基于SW6軟件的U型管雙管板換熱器管板近似計算    目前,國內工程上針對U型管雙管板換熱器管板厚度的計算,一般采用將其分解為固定管板換熱器和U型管換熱器兩部分,分別采用SW6軟件進行計算[5]。參照文獻[4,6],兩管板間聚液殼壁厚取8 mm,本結構取聚液殼長度L=250mm。針對管、殼程壓力作用下各種操作工況,采用以上簡化模型進行計算,得到兩管板的名義厚度為:δ管板1=87 mm,δ管板2=98 mm。由于管殼程溫差較大,采用SW6軟件計算時,聚液殼上需要設置膨脹節,否則,無論管板厚度如何,計算都無法通過。    1.3基于有限元分析模型的U型管雙管板換熱器管板計算    1.3.1有限元分析模型    因換熱器結構和載荷具有對稱性,可沿結構的縱向對稱面切開,選取管箱筒體、管箱法蘭,2個管板、殼程筒體、殼程法蘭和管束的1/2結構作為管板應力分析模型。管箱筒體長度取250 mm,殼程筒體長度取200 mm,換熱管長度取800 mm作為管板分析模型。位移邊界條件,縱向對稱面按對稱邊界處理,管箱筒體端部約束軸向位移,殼程筒體和換熱管端部施加軸向力。    1.3.2 U型管雙管板換熱器熱應力場分析    換熱器殼程介質溫度32℃,對流系數543.98W/(m2·℃),管程介質溫度130℃,對流系數500 W/(m2·℃),聚液殼內部溫度20℃,對流系數6 W/(m2·℃),結構的對稱面上按絕熱邊界條件處理。通過三維有限元分析,先求出模型的溫度場,進一步獲得分析結構的熱應力場。圖2示出在Pt+Ps+T操作工況下的TRESCA應力云圖。可以看出,最大TRESCA應力為149.834MPa,位于管板2與法蘭連接處。    1.3.3聚液殼長度的影響    由式(1)得L=142.4 mm,進一步分析聚液殼長度變化時,換熱器內最大應力的變化規律,以便合理地確定聚液殼長度。由圖3可知:聚液殼設膨脹節時,其長度對換熱器最大TRESCA應力影響很小。    從圖2中可以看出,換熱器內最大熱應力為149.834 MPa,按GB 150—1998[7]管板材料00Cr19Ni10在設計溫度下的許用應力值[σ]=110 MPa,根據文獻[8]的評定準則,一次加二次應力強度的許用極限為3[σ]=330 MPa,顯然該結構管板應力強度有較大富裕。現將聚液殼上的膨脹節去掉,變化聚液殼長度,其他參數不變,經有限元計算,最大TRESCA應力均低于260 MPa。                 如圖3所示,應力強度仍在許用范圍內,管板結構仍為安全。由ANSYS分析可知,聚液殼無膨脹節時,其長度對熱應力的影響仍很小。有限元分析結果表明,對于U型管雙管板換熱器管板,采用SW6近似計算得到的管板厚度,其設計方法安全,但過于保守,為此,文中進一步對該管板進行優化設計。    1.4管板厚度優化    管板優化設計的最終目的是在滿足剛度和強度要求下,使管板的厚度最小。文中對帶膨脹節的U型管雙管板換熱器管板進行優化,選定2個管板的厚度A1和A2作為優化的設計變量,TRESCA應力強度SMAX1和SMAX2作為優化的約束條件,由于本設備換熱器管子管板之間采用脹接,考慮到脹接厚度的要求,選取2個管板的最小厚度不小于40 mm,即A1≥40 mm,A2≥40mm。    1.4.1優化結果    經過7次優化迭代得到的數據見表3,序列7為最后迭代結果,可以看出管板厚度降低很多,優化結果非常顯著。優化設計結果,最終2個管板的厚度取41 mm。                 1.4.2優化后結構應力強度評定    換熱器操作時受到管程壓力、殼程壓力和溫度載荷等3種載荷的作用。參照有關管板設計方法,應考慮溫度單獨作用、管程壓力、殼程壓力、管程和殼程壓力、管程壓力加溫差、殼程壓力加溫差、管殼程壓力聯合作用加溫差7種不同工況進行分析。限于篇幅,現將3種工況下應力強度最大部位的評定結果列于表4,5,評定方法按照文獻[8]的評定準則。    2·固定管殼式雙管板換熱器管板厚度設計    固定管殼式雙管板換熱器的設計相關參數及主要的幾何尺寸見表6,7,結構見圖4。    2.1基于SW6軟件的固定管殼式雙管板換熱器管板近似計算    對于固定管殼式雙管板換熱器管板厚度的近似計算,一般將其等效成2個固定管板換熱器,采用SW6軟件進行計算。經計算,管板的名義厚度為:δ管板1=81 mm,δ管板2=60 mm,聚液殼的長度L=160 mm,壁厚8 mm。    2.2基于有限元分析軟件的固定管殼式雙管板換熱器管板計算    有限元模型的選取同1.3.1節,選取管箱筒體、管箱法蘭、2個管板、殼程筒體和管束的1/2作為管板應力分析模型,管箱筒體長度取300mm,殼程筒體長度250 mm,換熱管長度取800mm作為管板分析模型。固定管殼式雙管板換熱器由于殼程筒體設有膨脹節,在內壓和溫度載荷共同作用下的軸向應力,可由下述方法確定[9]。在內壓和溫度作用下,所選分析模型的內力平衡方程為:                                對換熱器多種操作工況進行有限元分析,經過優化分析后,管板1的厚度64 mm,管板2的厚度45 mm。由于篇幅有限,現將3種工況下應力強度最大部位的評定結果列于表8,評定方法按照文獻[8]的評定準則。    3·基于SW6軟件與有限元優化分析的管板厚度對比    表9列出了U型管雙管板換熱器和固定管殼式雙管板換熱器分別采用SW6軟件近似計算及有限元優化分析得到的雙管板厚度。可以看出,采用有限元a優化分析,雙管板厚度降低顯著,優化效果明顯。                      4·結論    (1)針對U型管及固定管殼式雙管板換熱器,其管板設計厚度采用SW6軟件相應模塊進行近似計算是安全的,但結果過于保守;    (2)有限元分析表明,聚液殼長度對換熱器的熱應力影響甚小,其長度一般取150~350 mm;    (3)采用有限元分析軟件對雙管板換熱器的管板相應結構進行熱應力分析并進行優化設計,有效地降低了管板厚度,為雙管板換熱器的管板厚度設計提供依據。 參考文獻: [1]劉軍.雙管板換熱器和單管板換熱器的比較[J].煉油技術與工程,2004,34(1):24-25.[2]GB 151—1999,管殼式換熱器[S]. [3]Tubular Exchanger Manufacturers Association,INC.Standards of  the Tubular Exchanger Manufacturers As-sociatio—1999[S].New York: Richard C.Byrne,Secretary. [4]涂俊宏,于東興.雙管板換熱器設計及制造[J].化工設備與管道,2001,38(2):34-36. [5]于順民.運用SW6進行雙管板換熱器管板的計算[J].化工設備與管道,2000,37(1):56. [6]錢婷婷,孫智文.雙管板換熱器的設計和制造[J].化工裝備技術,2006,27(6):41-44.[7]GB 150—1998,鋼制壓力容器[S]. [8]JB 4732—1995,鋼制壓力容器———分析設計標準[S]. [9]張衛義,安永明.多乙二醇塔再沸器膨脹節失效分析及修復[J].壓力容器,2007,24(4):51-71.
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