基于有限元的對管殼式換熱器管板的優(yōu)化設(shè)計

王思瑩，李衛(wèi)紅

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

基于有限元的對管殼式換熱器管板的優(yōu)化設(shè)計

王思瑩，李衛(wèi)紅

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

管殼式換熱器是石化行業(yè)中最常見的設(shè)備，而管板是連接殼體、管束和管箱，并承受壓力和熱膨脹的主要部件。本文采用ANSYS有限元軟件，模擬分析減少管板厚度、增大過渡圓角半徑，對管板和殼體連接處的應(yīng)力的影響，該研究結(jié)果可為管板的優(yōu)化設(shè)計提供可靠依據(jù)，同時能對管板的某些失效研究提供參考。

換熱器；管板；有限元優(yōu)化設(shè)計；應(yīng)力分析

管殼式換熱器是化工及石油化工生產(chǎn)裝置中應(yīng)用最為廣泛的工藝設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計，換熱設(shè)備在化工及石油化工生產(chǎn)裝置的各類工藝設(shè)備中所占投資比例大約在35%～40%。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)非常堅固，適應(yīng)力極強(qiáng)，尤其是在高溫、高壓和大型裝置中得到了普遍應(yīng)用。而管板是連接殼體、管束和管箱、并承受壓力和熱膨脹的主要部件，是管殼式換熱器不可缺少的重要部分。

從承受壓力載荷的角度講，管板越厚，承壓能力越強(qiáng)，但管板越厚，材料成本、制造加工成本都會增加。從承受溫度載荷的角度講，管板越厚，管板產(chǎn)生的溫差應(yīng)力越大，所以其厚度應(yīng)越薄越好。并且管板和箱體連接處承載的應(yīng)力最大，可以通過增大圓角半徑來減小連接處應(yīng)力。合理的管板優(yōu)化設(shè)計對降低設(shè)備費(fèi)用和保證設(shè)備安全運(yùn)行至關(guān)重要，對換熱器的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要的影響。

1 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)中，依據(jù)圣維南原理，可忽略邊緣區(qū)域?qū)χ饕芯磕Ｐ偷挠绊懀Ａ粢欢ǖ耐馍鞊Q熱管和外伸筒體長度。邊緣效應(yīng)的影響長度公式為：

式中，ΔL為邊緣效應(yīng)的影響長度，mm；R為殼體外半徑或換熱管外半徑，mm；t為殼體厚度或換熱管壁厚，mm。

換熱管采用正三角形排列，筒體保留長度為250mm，換熱管保留長度為120mm。因為換熱器管板為對稱圖形，為了簡化模型，有限元分析中取整個管殼式換熱器模型的1/4進(jìn)行模擬分析，有限元模型如圖1所示。

圖1 換熱器模型

2 換熱器管板設(shè)計條件

2.1 換熱器的幾何尺寸

管殼式換熱器模型的主要尺寸見表1。

表1 換熱器幾何尺寸

2.2 材料特性

取管殼式換熱管板銅合金、筒體、管箱材料為16Mn，模型的材料特性參數(shù)如表2所示。

表2 材料特性

3 有限元分析

利用有限元數(shù)值分析對管板進(jìn)行模擬分析，可以模擬管板的真實結(jié)構(gòu)和真實載荷以及邊界條件，而不受到管板厚度或其他結(jié)構(gòu)形式的限制和影響。

3.1 優(yōu)化前溫度載荷分析

在熱管換熱器的換熱過程中，在管板厚度方向，上下溫度不一致，從而產(chǎn)生溫差，引起溫差熱效應(yīng)。確定好各項參數(shù)，對管板施加對流傳熱系數(shù)、面載荷，根據(jù)已知條件，進(jìn)行熱應(yīng)力計算，溫度場分布圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前溫度分布云圖

3.2 優(yōu)化后的管板溫度載荷分析

管板的優(yōu)化設(shè)計是整個換熱器中非常重要的一部分，對管板進(jìn)行合理的優(yōu)化，可以節(jié)省材料成本、設(shè)計成本、安裝維修成本。減小管板厚度，可明顯降低熱應(yīng)力，但承壓能力也隨著降低，所以在滿足強(qiáng)度前提下，應(yīng)酌量減少管板厚度并保證其承載能力。為了降低溫差應(yīng)力，將管板厚度減小20%；并且為了降低管板與換熱器筒體連接處的應(yīng)力集中，要增加過渡圓角半徑，由16mm增加到了30mm。結(jié)合兩種方法對優(yōu)化后的管板進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖3所示。

在管板布管區(qū)，管板大部分厚度上溫度都會介于管程流體溫度與殼程流體溫度之間，只有在靠近管板表面處很薄的一層區(qū)域內(nèi)，管板的溫度接近該側(cè)流體的溫度。上下管板表皮效應(yīng)影響區(qū)為厚度的1/10。

在管板的不布管區(qū)，管板沿厚度方向，溫度由接近于管板流體溫度，從管程呈線性降低到接近于殼程流體溫度。從整個管板來看，在管板大部分厚度上都呈現(xiàn)出管板邊緣比管板中心的管板布管區(qū)及管板過渡區(qū)的高溫區(qū)要多，這就能從側(cè)面反映出管板邊緣區(qū)處的應(yīng)力較高。

從優(yōu)化后的溫度發(fā)布云圖中可以看出，管板的溫度差變化不大，但較優(yōu)化前有所減小，溫度差的減小也能反映出管板兩側(cè)的熱應(yīng)力較優(yōu)化前有所降低。

圖3 優(yōu)化后的溫度分布云圖

3.3 最危險工況下管板的應(yīng)力分析

表3是7種不同的操作工況，其中穩(wěn)態(tài)工況下管程壓力、殼程壓力和溫度載荷共同作用，是換熱器操作工況中最重要的工況，也是最危險的工況之一。圖4是通過ANSYS對優(yōu)化前和優(yōu)化后的管殼式換熱器中管板進(jìn)行應(yīng)力載荷和溫度載荷耦合的應(yīng)力分析云圖。

表3 操作工況

穩(wěn)態(tài)工況下，管板在受管程壓力、殼程壓力和溫度載荷共同作用下，其優(yōu)化前后的有限元分析結(jié)果如表4所示。

圖4 優(yōu)化前后的應(yīng)力分布云圖對比

表4 管板優(yōu)化前、后有限元分析結(jié)果

4 結(jié)論

1）從優(yōu)化前、后的應(yīng)力分布云圖可以看出，換熱器管板的應(yīng)力最大處并不是在管板上，而是在管板和殼體連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，所受應(yīng)力最大。

2）對管板進(jìn)行優(yōu)化，即將管板厚度減薄，并且將管板和殼體連接處的過渡圓角增大。減薄管板厚度雖然可以減小管板的熱應(yīng)力，但是承壓能力會減小，所以再通過增加圓角半徑，減小連接處的應(yīng)力，用這兩種方式同時對管板進(jìn)行優(yōu)化。

3）對換熱器的最危險工況之一的穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化后的管板與連接處的最大應(yīng)力明顯減小，并且滿足換熱器管板的強(qiáng)度要求，優(yōu)化后較優(yōu)化前最大應(yīng)力降低了20.839MPa，降低約為總應(yīng)力的20%左右，相比于優(yōu)化前的管板更加安全、穩(wěn)定。有限元分析結(jié)果證明該種優(yōu)化方案行之有效。

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Optimization Design of Tube Plate for Tube and Tube Shell Heat Exchanger Based on Finite Element

WANG Siying, LI Weihong
(Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

Tubular and tube heat exchange was the most usual equipment in the petrochemical industry. The tube plate was important component for connecting shell, the tube, channel and bearing the pressure and the thermal expansion. In this paper, ANSYS was used to analyze the in fl uence of stress on the joint of the tube plate and the shell by reducing the thickness of the tube plate and increasing the corner radius. The result of this study could provide reliable basis for optimal design of tube plate and provide reference for some failure research of tube plate.

heat exchanger; tube plate; fi nite element optimization design; stress analysis

TE 965

A

1671-9905(2017)12-0055-03

王思瑩(1991-)，女，漢族，從事壓力容器及管道的設(shè)計、制造和安全保障的技術(shù)研究

2017-09-07