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預應力固定管板換熱器預變形與應力特性的數值分析

點擊:1204 日期:[ 2014-04-26 21:54:06 ]
bsp;          預應力固定管板換熱器預變形與應力特性的數值分析                                      郭崇志,林雄                        (華南理工大學機械與汽車學院,廣東廣州510640)     摘要:為了實施預應力換熱器技術,對預變形下固定管板式換熱器中變形相互約束的構件之間所產生的溫差應力與變形分布特性進行了數值研究。借鑒“分段建模,整體綜合”的換熱器流體力學與傳熱的數值模擬新方法,利用CFD得到換熱器溫度場并作為ANSYS結構分析邊界條件,采用預拉伸單元進行預變形量的施加與控制,從而獲得了熱-結構耦合分析結果。數值模擬結果與實驗數據吻合得很好,說明所采用的研究方法是合理和可行的。此外,實驗和數值分析結果均證實,通過合理地施加和控制預變形量,可以有效緩解和協調固定管板換熱器在運行中各構件(管板、殼體、管束)之間的變形約束,從而創造良好的運行環境,最終提高換熱器的 運行可靠性和使用壽命。     關鍵詞:換熱器;預變力;溫差應力;預拉伸單元;數值分析     中圖分類號:TQ 051.5文獻標識碼:A文章編號:1000–6613(2009)03–0378–05     管殼式換熱器的管殼程溫差引起的熱應力是導致固定管板換熱器運行發生破壞的主要原因,而一般經驗認為,當管殼壁溫差超過50℃就應對換熱器采取熱補償措施,以緩解過大的溫差熱應力。為了消除或降低熱應力的影響,人們從理論和實踐上都提出了很多解決方法,預應力換熱器就是一種有針對性的解決方案。文獻[1-2]提出了采用反向變形的預應力換熱器制造技術,該技術首先采用數值分析計算換熱器的管殼可能產生的最大溫差膨脹量,在換熱器的制造過程中施加合適的反向預變形來抵消或降低換熱器運行過程中產生的溫差熱應力。     由于管殼式換熱器結構的復雜性,目前對換熱器熱應力的分析研究大多采用數值分析的方法,公開發表的文獻大多利用局部模型 [3-4] 進行數值模擬 分析,在換熱器整體模型上展開研究的較少。對于采用預變形技術的換熱器性能分析研究更少,本文利用“分段建模,整體綜合”[5-6] CFD模擬新方法,首先從傳熱與流體力學的角度研究了換熱器中溫度場的分布,利用CFD得到的溫度場作為有限元分析軟件ANSYS結構分析邊界條件,并且采用預拉伸單元進行預變形量的施加與控制,從而獲得熱-結構耦合分析的結果,最后將有限元結果與實驗測試數據相比較,對管板及換熱管在預變形作用下的應力特性進行了研究和探索。研究結果表明,通過施加預變形量,可以大幅降低運行中的換熱器管殼程壁 溫差引起的應力峰值,有效改善固定管板換熱器的 安全運行環境,延長管板管子工作壽命,提高了換熱器的運行可靠性。     1.建模     1.1幾何模型結構尺寸及工藝條件     本研究的換熱器為折流桿固定管板換熱器(可調節預變形模式),幾何結構模型見圖1,模型主要結構尺寸見表1。換熱器殼程介質為普通自來水,管程介質為飽和蒸汽,為了得到管、殼程較大壁溫 差,兩種介質流向為并流,主要工藝條件見表2。     1.2模型的簡化及單元類型的選取     換熱器整體結構較為復雜,需采用三維實體建模,并對結構作相應簡化,本文建立的模型忽略了殼程流體進出口接管、管程的管箱及其進出口接管,相應的影響作為流體流動和傳熱的邊界條件,從而建立起管板、殼體和換熱管束組成的1/2對稱模型。                                             本文利用ANSYS軟件對預應力換熱器進行熱 -結構耦合分析,把換熱管設置為預拉伸單元,其 它構件取Solid90作為熱分析單元,Solid95為結構 分析單元,所有構件材料定義為低碳鋼[熱導率 47.5 W/(m·℃),熱膨脹系數11.6×10 -6,泊松 比0.3]。     1.3邊界條件的確定     將管程進出口邊界設定為自由邊界;縱向的對稱面設置為位移對稱邊界;殼體的軸向中間面上全部約束自由度為零;換熱管各個壁面的溫度載荷根據Fluent計算結果擬合出的溫度函數關系式施加,其中Fluent分析對換熱器采用“分段模擬,整體綜 合”方法[ 6],節省計算成本,取得比較理想的效果,并假設殼體內外壁面和管外壁面的溫度主要沿著 軸向變化,忽略環向溫差。由于該換熱器殼程和管程流體壓力不大,而研究集中在預變形對溫差應力的補償特性,因此不考慮壓力載荷。通過對換熱管施加預拉伸單元的位移載荷量來體現預變形加載過程。     1.4預拉伸單元位移載荷量的確定 [7] 施加預變形時,假定管板外圓周邊緣在軸向 (Y)方向上的變形為零,而各層管排近似視為若干同心圓,每個同心圓層上需要設置的預變形數值可根據中心孔的變形量通過線性關系粗略計算得 出,然后由設定中心孔的變形數值來滿足各個布管層的預變形量的設置要求,預變形量計算如圖2所示。當得知a值后,就可以根據各個半徑尺寸計算 出b、c、d的值,即可以計算得到各根管子上的預變形量。這種假定多孔圓平板的軸向位移線性分布的假設一般僅在管板直徑較小的情況下能夠滿足計算要求。                           1.5預變形量的確定     為了研究預應力換熱器的可行性和穩妥地實施樣機測試,利用ANSYS數值分析軟件進行了實驗模型在給定的工藝流體及其工藝參數的情況下最危險工況的分析。從而確定換熱器的管子與殼體的最大熱膨脹差,利用此最大熱膨脹差為基準,通過確 定一個適當的安全系數來確定實際可以施加的預變 形量的范圍,保證在實施預變形時(制造階段)和 正常運行工況甚至最危險的運行工況下,預應力換 熱器均不出現破壞。本文重點研究施加預變形對運行中的換熱器相互約束構件可能產生的影響以及隨著預變形量而產生的最大應力的變化,主要研究預應力換熱器模型在施加預變形后的效果,即可行性問題,因此,這里選擇并施加的預變形量并非是最優的數值。     2.求解結果與實驗結果比較     2.1定義路徑     在蒸汽入口端管板表面定義了兩條路徑X和 Z,起點均為管板中心孔的圓周上,終點為管板平 面的外緣,方向與整體坐標X、Z一致,如圖3所 示。而定義換熱管外壁面軸向路徑,起點均為蒸汽 入口端(熱端)處,方向為蒸汽的流動方向。     2.2實驗結果與有限元分析比較     實驗采用應變計作為敏感元件,選取路徑X 3 個點,其位置數據如表3所示。采用多次實驗的平均值,得到各個預變形下各位置上的徑向應變值,如表4所示。為了考察試驗結果,將其與有限元分析的結果進行了對比,選用蒸汽入口段管板表面的X方向路徑的應變結果,對比情況如圖4~圖7所示。                   從圖4~圖7可見,實驗結果與有限元數值分 析得到的路徑上的應變變化相一致。由于壁面溫度 加載只考慮了軸向溫差、再考慮到實驗裝置加工產 生的各種偏差以及測試過程的偏差和數據處理過程 可能出現的偏差,實測數據能夠與FEM數據吻合 到這種程度已經是很好的結果,這說明采用這種方 法進行預變形及其產生的應力分布規律的研究是可 行的。     3.應力變化規律初步探討     3.1管板徑向應力分析     圖8和圖9表示在4種預變形情況下,熱端管 板的X與Z路徑上的徑向應變變化情況,其中連 續曲線出現間斷的地方為管子所在位置。根據廣義 虎克定律描述的應力應變關系,可以從徑向應變近 似地估計徑向應力的大小,因為徑向應力在常規固 定管板式換熱器中是最重要的設計應力。從圖8 和圖9不難看出,不管是否施加預變形,最大應變 都發生在管板與殼體連接處的附近區域,且為壓縮 變形狀態;施加預變形后X、Z路徑方向上管板應變趨于下降,施加的預變形量越大,管板應變分布越趨于平緩。在出現最大應變區域,即應變出現峰值的區域,最大應變降低得更多。由此可以根據應變變化趨勢大致估計出管板的徑向應力分布的變化趨勢,即隨著預變形增加,徑向應力分布趨 于平緩。                              3.2換熱管外壁軸向應力分析     固定管板換熱器的管子主要承受軸向應力,由 于換熱管的應力分布特點大致相同,故任意選取布管區中的某根管來考察軸向應力沿著路徑的變化, 見圖10。管子軸向為路徑方向,起點為蒸汽入口端 (熱端)處,方向沿蒸汽的流動方向。由此可見管 子軸向應力的分布有以下特點。                       (1)沿著軸線方向,軸向熱應力分布并不均勻, 而呈現出從熱端到冷端管板逐漸減小之勢;熱端軸 向熱應力最大,冷端軸向熱應力相對較小。     (2)不論在冷端管板還是在熱端管板,管子與 管板連接區域均出現軸向熱應力突變,顯示連接區域局部有較大的軸向峰值應力。     (3)隨著預變形量的增加,管子承受的工作狀 態下的軸向壓縮應力逐漸減小,端部的最大應力突變趨于緩和,當達到最大預變形量(1.0 mm)時,管子承受的壓縮軸向熱應力已經很小,而熱端管板的管子部分區域已經出現拉伸軸向應力,這種狀態 無疑對防止管子的軸向壓縮失穩是非常有利的。由于管子與管板連接為一體,管子軸向應力的降低也緩解了管子與管板連接區域的變形約束,所以,根據不同的設計目的,可以通過制造技術來控制預變形量的大小,從而控制管子軸向應力和管板上的應力分布,有效地防止或降低運行中管子與管板連接區被拉脫和產生疲勞破壞的危險,對于延長管子與管板連接區的工作壽命極為有利。      3.3軸向最大應力的比較      為了定量研究應力分布與所施加的預變形量之 間的關系,將各個預變形作用下X、Z路徑和外殼 的軸向路徑(沿著蒸汽流向)出現的正常工作狀態 下最大軸向應力峰值的數值列成表5,進一步考察 預變形與應力分布變化之間的關系[7]。                          從表5可見,隨著預變形量的增加,上述路徑上的最大軸向應力迅速下降。當預變形量為0.5時,最大軸向應力已經降低至常規無預變形換熱器的最大軸向應力的約1/2以下。而在預變形量為0.5~ 1.0,最大軸向應力出現反向,意味著可能有零點出現,說明可能存在最優的預變形量數值。     4 結論     本文重點說明了利用預(反)變形制造技術實 現的預應力換熱器結構以及預(反)變形大小對預 應力換熱器性能的影響,其中主要探討了制造所施 加的預變形量對相互之間變形受到約束的結構所產 生的應力大小的影響。通過本文的分析研究,可以 得到以下結論。     (1)利用實施預變形的制造技術 [1]來進行預應 力換熱器的加工是可行的,預變形的控制、施加和維持都是可以實現的。     (2)利用數值分析軟件(Fluent、ANSYS)來進行預應力換熱器的工藝性能和結構性能的數值計算是可行的,上述數值計算的研究將最終導致預應力換熱器設計技術的實現。     (3)通過研究預變形與換熱器結構應力和變形分布,可知在所確定的預變形范圍內,隨著預變形量的增加,熱態運行中的換熱器的應力和應變分布出現 緩和,意味著制造過程中所施加的反向變形及其應力 與運行過程中產生的工作應力出現了合理的疊加(抵 消),從而有效地降低了換熱器中,尤其是相互約束的構件之間苛刻的應力峰值,提高了換熱器中最容易破壞部位,即管子與管板連接區的運行可靠性和安全性,可以有效地延長換熱器的使用壽命。     參考文獻     [1]郭崇志.一種管殼式預應力換熱器的設計制造方法:中國, 00114032[P].2000.     [2]陳文昕,王友紅,郭崇志.管殼式換熱器預應力計算方法的初步研 究[R].廣東省鍋爐壓力容器論壇,2005:71-74.     [3]冷紀桐,呂洪,章姚輝,等.某固定管板式換熱器的溫度場與熱應 力分析[J].北京化工大學學報,2004,31(2):104-107.     [4]孫明禮,邵長金,唐煉.應用ANSYS分析管板應力實例[J].大氮 肥,2004,27(2):100-102.     [5]陳文昕.折流桿換熱器的數值模擬與實驗研究[D].廣州:華南理工 大學,2006.     [6]郭崇志,梁泉水.折流桿換熱器數值模擬新方法[J].化工進展,2007, 26(8):1198-1206. [7]梁泉水.預應力換熱器的研究[D].廣州:華南理工大學,2007. 
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