管壳式换热器管板应力的三维有限元分析

发布时间：2017-04-09 04:11

  本文关键词：管壳式换热器管板应力的三维有限元分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：管壳式换热器是石油化学工业中最常见的设备。而管板是管壳式换热器中最重要也是最复杂的承压部件。它对整台换热器的安全性和经济性有极重要的影响。 本论文在研究管壳式换热器的兼作法兰管板时突破了前人对管板分析时应用“等效管板理论”的局限，建立了包括壳体、管束在内的管板三维实体有限元模型，，法兰垫片用等效的均布比压来代替。在此基础上，分析了管板的温度场分布，并按照应力分析设计标准JB4732-1995分析了管板在包括开工、正常工作和停车等过程中可能出现的七种瞬态和稳态操作工况下的强度状况。 通过温度场分析得到管板上温度的分布规律为：在管板的布管区，管板大部分的厚度上温度接近流经该处换热管的管程流体温度，只在管板靠近壳程流体一侧很薄的一层管板材料内温度才接近该处附近壳程流体温度。 通过强度分析表明，温度载荷对管板造成了较大的热应力，而且在温度载荷及压力载荷共同作用的工况，热应力决定了整个管板系统的应力分布；本题研究的管板的危险工况不是发生在管程载荷、壳程载荷和温度载荷同时作用的正常操作工况下，而是发生在可能出现的壳程压力先停(管程载荷和温度载荷同时作用)的瞬态工况下。 通过分析得知，管板的原始设计在后四种工况下(伴有温度载荷作用的工况)强度校核均不合格。论文对其设计方案进行了改进，最终强度校核合格。
【关键词】：管板 有限元 温度场分析 应力分析
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TK172
【目录】：

• 1 概述8-15
• 1.1 课题来源8
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势8-12
• 1.2.1 国内外主要规范8-9
• 1.2.2 本研究领域的国内外现状9-12
• 1.2.3 发展趋势12
• 1.3 课题研究的目的与意义12-13
• 1.4 研究的内容与目标13-15
• 2 换热器中包括壳体、管束在内的兼作法兰管板有限元模型15-25
• 2.1 换热器几何尺寸及主要工艺参数15-16
• 2.1.1 换热器的主要几何尺寸15
• 2.1.2 换热器的主要工艺参数15-16
• 2.2 换热器所用的材料特性16-17
• 2.3 有限元数值分析方法及ANSYS通用有限元软件简介17-18
• 2.3.1 有限元数值分析方法17
• 2.3.2 ANSYS有限元软件简介17-18
• 2.4 有限元单元选择18-20
• 2.4.1 换热器单元结构模型的选择18-19
• 2.4.2 SOLID45三维实体单元19-20
• 2.5 换热器有限元模型的建立20-22
• 2.6 载荷及边界条件22-25
• 2.6.1 有限元分析中的载荷考虑22-23
• 2.6.2 管板载荷及边界条件23-25
• 3 换热器管板稳态温度场分析和热应力计算25-34
• 3.1 热应力基础理论25
• 3.2 热分析方式的确定25-26
• 3.3 温度场分布26-28
• 3.4 路径结果分析28-29
• 3.5 温度场分析小结29
• 3.6 热应力分析方法的选取29-30
• 3.7 热应力分析计算模型、载荷及边界条件30-31
• 3.8 热应力计算结果31-33
• 3.9 路径结果分析33
• 3.10 热应力分析小结33-34
• 4 七种操作工况下管板的应力分析和强度校核34-59
• 4.1 结构分析的七种操作工况34-35
• 4.2 压力容器的分析设计35-36
• 4.3 热应力路径分析36
• 4.4 各载荷工况下的分析36-47
• 4.4.1 工况1：管程压力工况36-41
• 4.4.2 工况2：壳程压力工况41-43
• 4.4.3 工况3：温度载荷工况43-47
• 4.5 各种操作工况下的分析47-57
• 4.5.1 工况4：管程壳程同时开的瞬间工况47-48
• 4.5.2 工况5：壳程先停的瞬间工况48-51
• 4.5.3 工况6：管程先停的瞬间工况51-54
• 4.5.4 工况7：正常操作工况54-57
• 4.6 小结57-59
• 5 基于有限元分析对换热器设计的优化及改进59-66
• 5.1 对换热器分析的结论59
• 5.2 设计改进59-66
• 6 结论66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-71
• 附录A 高效换热器总装图71-72
• 附录B 高效换热器管板零件图72-73
• 研究生期间已发表的论文73

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 周林;张小平;贺小华;;含膨胀节固定管板换热器管板的简化计算探讨[J];炼油技术与工程;2010年12期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 周林;张小平;贺小华;;带膨胀节固定管板换热器管板设计方法探讨[A];压力容器设计技术研究——第七届全国压力容器设计学术会议暨第七届中国机械工程学会压力容器分会设计委员会委员会议论文集[C];2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 卢其兵;太阳能热水器系统蛇管式换热器仿真分析[D];武汉理工大学;2011年

2 刘向伟;LTL天然气液化流程及其换热器数值模拟[D];华中科技大学;2011年

3 于晓东;有限元分析技术在管板轻量化设计中的应用[D];北京化工大学;2011年

4 佘虎君;管壳式换热器的传热研究与结构优化[D];沈阳工业大学;2012年

5 贺大伟;油浆蒸汽发生器热应力计算及密封性能研究[D];大连理工大学;2007年

6 王翔宇;某大型柴油机消声器结构热应力和内部流动研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

7 王业斌;BOG再液化系统低温换热器结构强度研究[D];华南理工大学;2010年

8 周汉栋;套筒式热风炉流场数值模拟及强度分析[D];东北大学;2010年

9 高文英;管束干燥机管束装置的强度分析[D];东北大学;2009年

10 黄承福;柴油机缸盖—机体的热与机械应力耦合计算研究[D];华中科技大学;2012年

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本文编号：294423