套管換熱器穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算的探討

潘光國

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

套管換熱器一般適用于傳熱面積較小的場合，它比同樣換熱面積的管殼式換熱器所需的空間要大，但由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地用做冷卻裝置[1]。

某項(xiàng)目甲醇水冷卻器采用套管換熱器結(jié)構(gòu)(見圖1)，由于內(nèi)外管直徑小且長度較長，在壓力及溫差作用下，容易造成失穩(wěn)，使得內(nèi)外管撓度過大，從而影響換熱效率。本文對(duì)該冷卻器的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，提出內(nèi)管失穩(wěn)的解決方案，可為以后同類設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 設(shè)計(jì)計(jì)算方法

1.1 內(nèi)、外管軸向應(yīng)力計(jì)算

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

金屬壁溫作用下的外管熱位移：ΔLot=αo(To-20)L

(6)

外管軸向總位移：ΔLo=ΔLop+ΔLot

(7)

同理可得內(nèi)管軸向應(yīng)力σi1、內(nèi)管周向應(yīng)力σi2、內(nèi)管軸向應(yīng)力引起的軸向位移ΔLi1、內(nèi)管周向應(yīng)力引起的軸向位移ΔLi2、設(shè)計(jì)壓力作用下內(nèi)管軸向總位移ΔLip、金屬壁溫作用下的內(nèi)管熱位移ΔLit、內(nèi)管軸向總位移ΔLi。

(8)

(9)

ΔLi<ΔLo取正，ΔLi>ΔLo取負(fù)。

(10)

ΔLi<ΔLo取正，ΔLi>ΔLo取負(fù)。

式中，pi為內(nèi)管設(shè)計(jì)壓力，MPa；po為外管設(shè)計(jì)壓力，MPa；di為內(nèi)管直徑，mm；do為外管直徑，mm；δi為內(nèi)管厚度，mm；δo為外管厚度，mm；L為公稱長度，mm；Ei為內(nèi)管材料的彈性模量，MPa；Eo為外管材料的彈性模量，MPa；ΔLi為內(nèi)管軸向總位移，mm；ΔLo為內(nèi)管軸向總位移，mm；Ai為內(nèi)管金屬截面積，mm2；Ao為外管金屬截面積，mm2；μ為內(nèi)外管材料的泊松比，通常情況取0.3；αi為內(nèi)管材料金屬壁溫下的線膨脹系數(shù)，mm/(mm·℃)；αo為外管材料金屬壁溫下的線膨脹系數(shù)，mm/(mm·℃)；Ti為內(nèi)管沿長度平均金屬壁溫，℃；To為外管沿長度平均金屬壁溫，℃。

上述軸向應(yīng)力正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力；當(dāng)軸向應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，內(nèi)外管可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)，需要進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性計(jì)算。

1.2 內(nèi)管、外管壓桿穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》[3]，換熱管的穩(wěn)定許用壓應(yīng)力計(jì)算公式為：

(11)

(12)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

甲醇水冷卻器的內(nèi)外管材質(zhì)為20，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果

進(jìn)行甲醇冷卻器內(nèi)外管同時(shí)有壓力工況下的計(jì)算，內(nèi)外管軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 內(nèi)外管軸向應(yīng)力計(jì)算

同理，其他工況下的內(nèi)、外管軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 內(nèi)外管軸向應(yīng)力計(jì)算

從計(jì)算結(jié)果可知，外管的軸向應(yīng)力為拉應(yīng)力，不需要進(jìn)行穩(wěn)定性校核，而內(nèi)管軸向應(yīng)力為壓應(yīng)力，需要進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。甲醇水冷卻器內(nèi)管穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表4。

顯然，內(nèi)管的軸向壓應(yīng)力值遠(yuǎn)大于內(nèi)管的許用應(yīng)力，因此，內(nèi)管會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。從計(jì)算結(jié)果可以看出，內(nèi)管的許用壓應(yīng)力值很低，這是由于內(nèi)管計(jì)算長度L值過大所致，因此，只有盡可能地縮短內(nèi)管計(jì)算長度，才能提高內(nèi)管的許用壓應(yīng)力。

為了縮短計(jì)算長度，在內(nèi)管上設(shè)置支撐塊(見圖2)；內(nèi)管上的支撐塊相當(dāng)于換熱器中的折流板或支持板，支撐塊的設(shè)置改變了壓桿的約束條件，增強(qiáng)了壓桿的約束，使其不容易發(fā)生彎曲變形。內(nèi)管支撐塊間距為1 200 mm時(shí)，計(jì)算長度L為1 200mm，內(nèi)管壓桿穩(wěn)定性計(jì)算見表5。

圖2 內(nèi)管支撐塊結(jié)構(gòu)示意

表4 甲醇水冷卻器內(nèi)管壓桿穩(wěn)定性計(jì)算

表5 內(nèi)管壓桿穩(wěn)定性計(jì)算

由計(jì)算結(jié)果可見，當(dāng)壓桿的計(jì)算長度L縮短時(shí)，內(nèi)管的柔度顯著下降，許用壓應(yīng)力大幅提升。在計(jì)算長度為1 200 mm的條件下，內(nèi)管的軸向壓應(yīng)力值小于許用壓應(yīng)力值，內(nèi)管穩(wěn)定性校核通過。

3 結(jié)語

當(dāng)軸向應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，套管換熱器的內(nèi)外管可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)，需要進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。縮短壓桿的計(jì)算長度，可以大幅提升壓桿的許用壓應(yīng)力。通過在套管換熱器的內(nèi)管上設(shè)置支撐塊，縮短內(nèi)管的計(jì)算長度，可使內(nèi)管通過穩(wěn)定性校核。