换热器应力分析报告

换热器管板的应力分析和安全评定换热器是化工、石油、能源、冶金等重要工业领域中不可或缺的设备之一。

在其使用过程中，管板作为换热器的关键部件之一，承担着重要的传热任务。

但是，在一些恶劣的使用环境下，管板也面临着应力集中、热膨胀、疲劳等问题，从而引发安全风险。

因此，本文将对换热器管板的应力分析和安全评定进行讨论。

1. 换热器管板的应力分析换热器的应力分析，是为了确定其在使用过程中是否会发生变形、裂纹等影响其使用寿命和安全性的问题。

一般而言，应力分析会采用有限元分析方法进行，其基本流程如下：1.确定模型：确定模型的几何尺寸、材料性质、载荷边界条件等信息。

2.离散化：将模型离散化为有限个单元，并建立单元之间的边界。

3.利用有限元法求解模型的位移、应变、应力等物理量。

4.分析结果：根据计算结果，对模型的应力状况进行评估和处理。

在上述流程中，模型的几何尺寸、材料特性等是影响计算精度的重要因素。

换热器管板在实际使用过程中具有复杂的几何形状，以及不同材料特性的组合，因此要对其进行有效的模型构建和材料特性的确定。

在管板的应力分析中，以下因素需要考虑：•管板几何形状：管板的边长、板厚、支撑方式等。

•材料特性：材料的弹性模量、泊松比、屈服强度等。

•成型工艺：成形工艺对管板宏观形状的影响。

•热载荷边界条件：在换热器使用过程中，热载荷对管板加剧的影响。

2. 换热器管板的安全评定在换热器的实际使用过程中，需要对管板的安全进行评定，以保证其可以在可接受的应力和变形范围内长期稳定的运行。

安全评定通常需要考虑以下两个方面：1.应力状况评估：通过对管板的应力分析，评估其在实际使用过程中的应力状况是否在可接受的范围内，以及是否产生了裂纹等问题。

2.失效分析：对管板的失效问题进行评估和分析，以避免发生失效事故。

失效分析通常包括以下内容：•疲劳分析：对管板的疲劳寿命进行评估和分析。

•腐蚀分析：对管板的腐蚀状况进行评估和分析。

•裂纹分析：对管板的裂纹状况进行评估和分析。

固定管板式换热器应力分析和疲劳分析摘要：建立固定管板式换热器的三维模型，根据模型材料情况，尺寸大小，以设计工况为例，使用有限元分析法对其进行应力分析和疲劳分析。

关键词：固定管板式换热器；应力分析；疲劳分析一、概述固定管板式换热器主要是由的管束、管板和壳体三部分构成，组装时将管束焊接在管板上，管板焊接在壳体上，工艺接管焊接在壳体上[1]。

在换热过程中，不同部位接触的液体不同，导致各构造温度不同，变形程度也不同，温差热应力由此产生。

不同型号的固定管板式换热器考虑和关注点不同，产生的温差热应力也会不同，如GB151主要考虑管束和壳体之间的压力和温差，但未考虑构件自身的温度和管束管板之间的温差。

JB4732以管板为对称轴，保持管板弹性系数不变，在管板的弹性范围内，计算它的热应力，但JB4732换热器无法计算管板的温度场，薛明德和吴强生[2]根据JB4732换热器的特性，以管板温度场和热应力为基础，提出一种新式的计算和分析管板温度场的方法，并进行了实验。

分析结果表明：管板区的内壳表面、管板区与非管板区的交汇处、管板与壳体过渡处，存在较大的温差，如果管板和管板孔相接触会使其温差加大，却会较少管板的表面热效应使管板出现一个相对均匀的温度梯度。

本文研究的换热器因为容易受压力和温度的影响，因此需要进行应力分析和疲劳分析。

本文固定管板式换热器基本设计参数如图1，基本结构如图2。

图1基本设计参数图2结构简图二、有限元模型建立1.材料参数本文使用不锈钢S31803材料建立模型，S31803材料具备良好的柔韧性和耐腐蚀性，能很好地防止固定管板式换热器腐蚀，同时，S31803材料导热性能良好，换热速度快，因此本文选择使用S31803材料建立模型。

S31803材料具体性能如下：温度/K弹性模量/GPa泊松比热膨胀系数/[10-6mm/( mm·K)]导热系数/(W/(m·K)设计应力强度/MPa423 .151900.313.416.1246.73831930.13.1515.5156.2.153343 .15196.40.31314.9258.3303 .152000.312.614.2258.7（二）材料尺寸本文以《钢制压力容器一分析设计标准》[3]为标准依据设计并制作了固定管板式换热器，为了更加精准进行换热器反应分析和疲劳分析，我们需要确定换热器各个部位的元件尺寸，本文因条件有限，同时为了计算方便，忽略设备自身的重量和介质的静压。

第53卷第4期 辽 宁 化 工 Vol.53，No. 4 2024年4月 Liaoning Chemical Industry April，2024发夹式换热器管板的应力分析与强度评定孙梦莹，郭超越，李卓群，刘壮（沈阳化工大学 机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142）摘 要：应用ANSYS有限元分析软件，考虑压力载荷和温度载荷对管板整体应力分布的影响，采用顺序耦合法对发夹式循环冷却器的热端管板在7种工况下进行有限元应力分析。

结果表明：在压力载荷与温度载荷共同作用下，管板最大等效应力为329.9 MPa，位于布管区内换热管与管板连接处。

壳程先停工况下管板的最大等效应力值最大值为332.5 MPa，是发夹式循环冷却器管板的最危险工况。

在对管板上最大等效应力处进行当量线性化处理，结合分析设计标准进行强度评定，评定结果均合格。

关 键 词：发夹式换热器；管板；有限元分析；应力线性化；强度评定中图分类号：TQ051.5 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2024）04-0545-04发夹式换热器因其外形形似发夹而得名，其外形结构可视为单管程、单壳程、管束为U型的固定管板式换热器[1]。

与传统换热器相比，发夹式换热器具有换热效率高、管板温差应力小等优点[2]。

如何依据换热器形式以及选择合适的设计标准，进行管板设计是换热器设计工作中一项重要工作[3]。

随着计算机技术的发展，利用有限元软件辅助管板设计进行了很多工作[4-9]。

陈杰[5]等利用ANSYS 有限元软件对LNG绕管式换热器管板及其相连的管箱、换热器壳体进行了整体建模和多工况下的有限元应力分析。

通过增加短节厚度的方式解决了管箱短节处局部薄膜应力过大的问题。

张睿明[9]等利用ANSYS有限元软件中的Workbench模块针对U 型管换热器的管板进行了热固耦合分析，比较了三角形与正方形布管方式对管板热应力及机械应力的影响，为特定工况下选择合适的布管方式提供了理论依据。

固定管板式换热器（散热器）应力的有限元分析摘要：应用ANSYS有限元软件，建立了某固定管板式换热器的结构分析模型，对3种操作工况下换热器的应力场进行了计算，并校核了其中的危险工况。

结果表明：受热载荷作用的换热器，最大应力在管板与管箱内壁面的过渡圆角处；“表皮效应”使距壳程侧2 mm处管板上的应力最大；换热器的各部件安全裕度均大于2，常规设计方法过于保守。

关键词：固定管板式换热器；有限元法；应力分析0 引言固定管板式换热器是受力最复杂的管壳式换热器，当管束与壳体的温度及材料的线膨胀系数相差较大时，承压壳体与管束中将产生较大的热应力，会进一步增大各部件中的应力。

本文采用有限元软件ANSYS分析某化工厂的一台DN500固定管板式换热器，建立带有真实管箱和换热管的有限元模型，并对管板、壳体和换热管的强度等进行应力分析及评定，为今后换热器强度分析和优化设计提供理论依据。

1.有限元模型的建立以换热器轴向为Z轴，垂直于纸面方向为X轴，竖直方向为Y轴建立总体坐标系。

忽略进出口接管的影响，换热器几何结构和承受载荷关于坐标面对称，取1/8模型为研究对象。

为避免边缘效应影响，管箱伸出管板的长度应大于113 mm，本文取管箱长度150 mm。

换热器上各部件的材料属性如表1所示。

为保证耦合分析中节点的一致性，传热分析中选用热单元SOLID70，相应地结构分析时采用实体单元SOL-ID45。

采用APDL语言先建立管板和换热管的横向截面，借用辅助单元Shell57划分网格，沿轴向拖拉成三维模型。

再建立管箱和壳体的轴向截面，绕轴旋转，生成如图1所示的换热器有限元模型。

该模型外径为508 mm，管板厚度为32 mm，壳体与管箱的壁厚为6 mm，换热管尺寸为准25 mm×2 mm。

总单元数为44 420个，总节点数为80 451个。

热分析时在壳程侧管板面、壳体内表面和换热管外表面施加44.7℃的温度载荷，管程侧管板面、管箱内表面和换热管内表面的温度载荷为112.8℃。

换热器的应力分析报告表二各种材料性能参数表2工具和技术●JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》●GB151-1999《管壳式换热器》●GB150-1998《钢制压力容器》●ANSYS有限元分析软件3 几何模型本结构由壳程筒体、管程筒体、管板、换热管组成。

在建立三维几何模型时，利用对称性，沿圆周向截取90度的扇形区域，管程筒体沿轴向取50mm，壳程筒体沿轴向取L=2.5Rt （R是与筒体的平均半径，t是该筒体的厚度），算得小于400mm，在那个地点取400mm，依照圣维南原理就能够排除筒体边缘处轴向应力分布对管板处应力分布的阻碍。

图1 换热器整体模型图2 换热器管板模型在ANSYS有限元模型中，为了同时表达换热管对管板的支撑作用和管孔对管板的削弱作用，在ANSYS建立模型中，换热管也进行网格划分，单元用SOLID45，同时全部模型都采纳的是SOLID45单元。

在进行ANSYS运算时，已考虑了腐蚀裕量的阻碍，具体做法是，因为只有壳程有腐蚀裕量，将壳程筒体的壁厚加2mm，筒体的内直径加4mm，而管板和换热管都采纳的是00Cr22Ni5Mo3N材料，因此不用考虑腐蚀裕量。

结构整体的几何模型见图1和图2，其中，图1是换热器整体模型，图2是换热器管板模型。

关于管板的四分之一模型见图3，其中有壳程筒体-管板-管程筒体连接处的细部和九十度布管区布管详图。

图4为主体结构三维几何模型，图5为主体结构有限元模型，图6和图7为主体结构有限元模型的细部。

图3 壳程筒体-管板-管程筒体连接处细部和九十度布管区布管详图图4 主体结构三维几何模型图5 主体结构有限元模型图6 主体结构有限元模型细部-管板图7 主体结构有限元模型细部-锻件4 力学模型本结构在所考虑的各种工况下能够构建统一的力学模型。

4.1约束结构给定以下约束：1.在沿壳程筒体400mm处的截面上，壳程筒体端部和换热器端部的轴向位移为0；2.在沿换热器周向的两个分割面上，即位于0度和90度角处，在0度截面上，所有y方向的位移为0，在90度截面上，所有x方向的位移为0。

2019年第12期- 47 -经验 Experience一、概述空调制冷系统中的换热器主要有冷凝器和蒸发器两种，其中这两个部件也是压缩制冷循环中不可或缺的基本部件。

冷凝器的作用是将高温高压的冷媒热量通过热交换传递给室外环境；而蒸发器的作用是将低温低压的冷媒的冷量通过热交换传递给内部空气，并带走一定量的空气中的水蒸气。

微通道换热器是基于微尺度效应的一种新型高效换热器，借助特殊的加工工艺，以固体基质制造的可用于进行热量传递的三维结构单元，目前广泛应用于汽车空调行业等领域。

本文是以某冷凝器为研究对象，考虑了微通道换热器在温度载荷下的约束，利用HyperWorks 软件对结构整体温度场进行数值分析，分析过程中考虑了扁管、集流管、支架和管座之间的相关连接关系和约束关系，建立详细有限元模型，用OptiStruct 求解器计算得到给定温度载荷下的热应力分布和变形，判定设计方案的可靠性和合理性。

二、微通道换热器的有限元模型建立通过CATIA 建立微通道换热器的三维实体模型，如图1所示。

为便于有限元前处理，将模型导出为.stp格式。

图1 某微通道换热器三维模型针对该微通道换热器模型，文章采用主流CAE 前处理软件HyperMesh 进行网格划分。

在进行网格划分时，微通道换热器所有部件均用四边形单位，单元类型为基于OptiStruct 的某微通道换热器热应力分析文|浙江盾安人工环境股份有限公司 张克鹏投稿邮箱cadcam@ IMCHINA@- 48 -经验 ExperienceCQUAD4， 单元基本尺寸设为3mm ，各个部件之间连接采用共节点。

最终有限元模型共有节点数为405 392，单元数为461 174。

微通道换热器有限元模型如图2所示，局部放大图如图3所示。

图2微通道换热器有限元模型图3 微通道换热器有限元模型局部放大图三、建立热力耦合模型1、传热分析原理传热分析是指在热载荷作用下，求解结构的热流量和温度。

换热器管板的应力分析和安全评定换热器是工业生产中广泛应用的一种设备，通常用于将两种介质在不混合的情况下进行热量传递。

它由很多管子和管板构成，介质在管子内流动，通过管板上的孔洞进行热量交换。

在使用换热器时，其安全性是至关紧要的，由于任何故障都可能导致物质泄漏和人身损害。

因此，在生产过程中应对换热器进行应力分析和安全评定来保证其安全性。

一、换热器管板的应力分析为了进行换热器管板的应力分析，我们首先需要确定造成管板应力的因素。

换热器管板中存在的重要应力因素包括内压、重量和温差。

其中，内压是最重要的应力因素之一，它是由介质在管子内流动时所产生的。

介质内部的压力会渐渐加添，等于介质流入管子与流出管子时产生的总阻力，因此内压对管板的应力会产生显著的影响。

在确定了产生应力的重要因素后，我们需要使用Mises应力理论推导出管板上所承受的应力。

Mises应力理论是一种用于求解材料在三维状态下的最大直应力与剪应力的理论，它可以用于推测并掌控材料的破坏情况。

依据Mises应力理论和力学原理，我们可以得出换热器管板上所承受的应力公式如下：σ = (1/2) * [ (p*D^2)/4t - WgH/(2bh) + (ΔT*α*E) ]其中，σ表示管板受到的应力，p表示介质内压力，D表示管子直径，t表示管壁厚度，Wg表示介质所产生的重力，H表示管子长度，b和h分别是孔洞的宽度和高度，ΔT表示介质的温差，α表示材料的热膨胀系数，E表示杨氏模量。

依据上述公式，我们可以分析出导致管板应力变化的各个参数之间的关系。

例如，当p增大或D减小时，σ也会加添；当t增大或Wg减小时，σ会减小。

此外，ΔT也会对管板应力产生重点影响，当ΔT加添时，σ也会加添。

二、换热器管板的安全评定在进行换热器管板的安全评定时，我们需要首先了解管板的材质和强度特性。

一般来说，管板的材质通常是不锈钢、碳钢或者铜等。

我们需要通过对材料的强度测试来确认材质的耐用程度以及对于承当应力的峰值本领。