基于有限元模擬的板式換熱器結(jié)構(gòu)分析

林偉杰 武全萍 馬競(jìng)男

摘?要：板式換熱器作為一種壓力容器，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)劣對(duì)換熱器性能有較大的影響。本位利用SolidWorks軟件建立了板式換熱器的三維模型，并結(jié)合ANSYS軟件對(duì)板式換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出了板式換熱器結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布情況。通過結(jié)果分析，可以為板式換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：板式換熱器;結(jié)構(gòu)應(yīng)力;ANSYS分析

中圖分類號(hào)：TQ 051.5

板式換熱器具有傳熱系數(shù)高，適應(yīng)性強(qiáng)，易于清洗和相對(duì)于管式換熱器來說金屬耗材小等優(yōu)點(diǎn)，在能源、食品、化工、紡織等各行各業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用。但板式換熱器在設(shè)計(jì)時(shí)，其流程與管程依照所選取介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)計(jì)算而定，所以選取范圍比較廣泛。因此在換熱器的設(shè)計(jì)中往往存在著較大的不確定性。在設(shè)計(jì)計(jì)算完成之后，通常需要通過有限元分析的方式，來模擬換熱器在實(shí)際工作狀況下的受力情況。通過對(duì)板式換熱器的有限元分析來模擬其結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并根據(jù)此計(jì)算模擬結(jié)果對(duì)其進(jìn)行總結(jié)分析，[1]根據(jù)此分析結(jié)果，可以為板式換熱器的正常使用和故障檢測(cè)提供支持，也可為提高換熱器性能提供理論依據(jù)。

本文通過ANSYS軟件對(duì)某板式換熱器的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行了有限元模擬分析，并根據(jù)模擬結(jié)果分析了板式換熱器在運(yùn)行過程中可能存在的問題。

1 換熱器數(shù)值模擬分析

所選取的板式換熱器板片的幾何參數(shù)如表1所示，換熱器的材料屬性如表2所示。

用ANSYS軟件，對(duì)換熱器進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖1所示。

因?yàn)樵摀Q熱器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載和性質(zhì)，只對(duì)該換熱器的其中一半進(jìn)行三維建模并做有限元分析，[2]所有部位均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為簡(jiǎn)化建模和計(jì)算，本文采用8根彈簧來代替板片做應(yīng)力分析。

1.1 應(yīng)力加載

根據(jù)對(duì)換熱器的計(jì)算，換熱器管程壓力為1.6MPa，選取當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹?.8m/s2，經(jīng)計(jì)算可得螺栓預(yù)緊力為64550N，溫差壓力可以忽略不計(jì)。添加預(yù)緊力為64550N。[3]設(shè)置好約束效果之后，可以得到模擬后的分析結(jié)果，結(jié)果如圖2所示。

1.2 模擬結(jié)果

通過ANSYS軟件對(duì)換熱器計(jì)算仿真之后導(dǎo)出應(yīng)力云圖，如圖3～4所示。

由上圖可得出固定板的最大應(yīng)力32MPa和活動(dòng)板的最大應(yīng)力33MPa均小于該結(jié)構(gòu)材料的最大許用應(yīng)力，螺栓的最大應(yīng)力為73MPa，也小于其材料的最大許用應(yīng)力，故本次計(jì)算結(jié)果合理。

2 結(jié)論

（1）螺栓的受力最大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出換熱器其他部件承受的壓力，因此在使用過程中最易損壞，使用時(shí)應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行檢修，以保證換熱器正常的工作。（2）固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板所受壓力雖然在材料的許用范圍之內(nèi)，但固定壓緊板的板片中央，活動(dòng)壓緊板與螺栓結(jié)合的孔口壓力較大，且在實(shí)際過程中，其承受的實(shí)際壓力要大于軟件模擬的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐志明，王月明，張仲彬.板式換熱器性能的數(shù)值模擬.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2011（3）：198-202.

[2]張婁紅，劉功祥.基于有限元模擬的板式換熱器結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析.化工裝備技術(shù)，2018（6）：25-27.

[3]姚愷，張方駒，侯聰.基于流熱固耦合的板式換熱器熱應(yīng)力分析.江蘇航空，2016（4）：24-26.