固定管板式换热器的热应力分析与结构优化

发布时间：2020-07-05 18:28

【摘要】：固定管板式换热器由于具有结构简单、承压能力强、可靠性高、运行维护方便等显著特点而广泛应用于各相关工业领域。然而,工程实践中在某些特定的工艺条件如管程和壳程流体具有较大的温差时,固定管板式换热器由于存在较大的温差应力而导致换热管出现拉脱现象,从而影响换热器的安全可靠运行。本文以某企业在工程实践运行中的一台固定管板式换热器为例,针对其发生的管子拉脱失效事故,开展固定管板式换热器热应力数值模拟分析,并以数值分析结果为基础对其进行结构优化,为该换热器的结构优化设计及改进提供技术指导。基于ANSYS热流固耦合分析理论,以某企业在工程实际运用中的固定管板式换热器为实例,建立固定管板式换热器的整体的有限元分析模型,进行了换热器的热流固耦合分析。论文采用了CFD方法,对换热器进行了流场和温度场的仿真分析,将计算得到的固定管板式换热器的固体温度数据作为温度载荷,加载到ANSYS结构分析中进行换热器整体结构热应力分析。应用换热器的强度评定方法对整个换热器应力分布以及应力集中情况进行了分析评定,结果表明:该固定管板式换热器在给定的温度载荷下所产生的最大热应力远超过换热器材料的许用应力,是导致换热管发生拉脱失效的主要原因,无法满足换热器的安全运行需要。针对换热器存在的管子和管板热应力过高的问题,对原换热器提出了两种优化改进方案,即管子和壳体采用同种材料,以避免由材料线膨胀系数差而导致产生过大的热应力;通过设置波纹管膨胀节,以降低壳体的轴向刚度来减小热应力。最后对优化结构进行的热应力分析表明,优化结果可满足换热管和管板的热应力强度要求。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK172
【图文】：

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第一章绪论2图 1.1 换热器分类图1.1.2 管壳式换热器管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适用范围广、易于制造、处理能力大、生产成本低、选材范围广、换热表面清洗方便、能承受较高的操作压力和温度的优点得到了最广泛的应用[1]。在目前热力系统中特别是在高温、高压和大型换热器中应用最常用的结构形式是管壳式换热器。在换热器高速发展的今天，尽管受到许多新型换热器的挑战，但同时也促进了自身的发展，占据主导地位的仍旧是管壳式换热器。管壳式换热器作为热交换器设备的基本结构如图 1.2 所示，管壳式换热器一般由管束、封头、壳体、接管、管板和折流板组成，管束是由许多平行放置在壳体内部的管子组成，管束的两端固定在管板上，它轴线与壳体的轴线相平行。折流板则在壳体内部，对管束起支撑的作用，使冷热流体分别管内空间（管程）和管外空间（壳程）流过，在管束的管壁进行热量的交换。管壳式换热器同样具有多种结构形式。根据其结构特点，可分为固定管板式、浮头式、填料函式、U 形管式、釜式五类。其中，固定管板式换热器以其结构紧凑，承压能力高，生产成本低下，管子清洗方便，损坏后易于更换的结构特点而得以广泛应用。但其缺点是，当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大

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第一章绪论器产生较大的热应力，严重时导致换热管从管板中拉影响换热器的正常运行。因此，固定管板式换热器的用于管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不垢得相关场合[1]。当固定管板式换热器进行换热的时，则需要对换热器进行热应力分析与计算，来确保不致过高而导致换热器的失效破坏。

【参考文献】