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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。
管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的数值模拟研究一、本文概述本文旨在通过数值模拟的方法，深入研究管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的过程。
管壳式换热器作为一种常见的热交换设备，广泛应用于化工、能源、环保等多个领域。
在实际应用中，壳侧气液两相流动和传热过程的复杂性往往导致设计优化和运行控制的困难。
本文的研究对于提高管壳式换热器的性能，提升工业生产效率具有重要的理论和实践价值。
在数值模拟研究中，我们将首先建立管壳式换热器的数学模型，考虑壳侧气液两相流动的流动特性、传热过程、相间作用等因素，利用计算流体力学（CFD）等先进方法，进行求解和模拟。
通过对比实验结果，验证数学模型的准确性和可靠性。
在此基础上，我们将对管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热过程进行深入分析，探讨不同操作条件、结构参数对流动和传热性能的影响，揭示其中的流动和传热机理。
同时，我们还将探索优化设计方案，提高换热器的传热效率和稳定性，为实际工业应用提供有益的参考和指导。
本文将通过数值模拟的方法，全面研究管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的过程，为换热器的设计优化和运行控制提供理论支持和实践指导。
二、管壳式换热器的结构与工作原理管壳式换热器是一种常见的热交换设备，广泛应用于化工、石油、能源、制冷等工业领域。
其基本结构由管束、壳体和管板等几部分组成。
管束由多根管子平行排列组成，管子内部为流体通道，用于传递热量。
壳体则包围在管束外部，形成一个封闭的空间，壳体内也有流体流动，与管内的流体进行热量交换。
管板则起到固定管束和密封的作用，同时也作为流体进出口的连接部分。
管壳式换热器的工作原理基于热传导和对流传热两种基本传热方式。
当两种不同温度的流体分别流过管内和管外时，由于温度差异，热量会从高温流体传递到低温流体。
管内流体通过对流传热将热量传递给管壁，然后通过热传导方式将热量传递给管外流体，最终实现两种流体之间的热量交换。
在管壳式换热器中，流体的流动状态对传热效果有重要影响。
固定管板式换热器的温差热应力数值分析郭崇志＊ 周 洁(华南理工大学)摘 要 建立由管板、壳体和换热管组成的有限元分析简化模型,利用通过C F D数值模拟得到的各个相应壁面温度数据拟合而成的温度-距离函数关系式,在A N S Y S软件中对固定管板式换热器的换热管、壳体和管板表面加载进行结构热分析,得到了温度分布模型。
还将所得的节点温度作为热载荷加载到结构对应点上计算换热器的整体温差热应力,着重分析管板与管子及壳体连接处附近的热应力分布,并给出了沿管板径向和厚度方向上的热应力变化曲线。
关键词 固定管板式换热器 温差 热应力 数值分析中图分类号 T Q051.5 文献标识码 A 文章编号 0254-6094(2009)01-0041-06 固定管板式换热器中的管束、管板和壳体三大主要构件彼此连接在一起,而换热过程中它们分别与不同温度的流体接触,势必产生温差,从而使得构件间产生不同的热变形量,造成刚性连接的构件间的热变形受到约束,进而产生温差热应力。
目前公开发表的大多数文献集中研究以换热器部分结构建模的温度场及热应力分析,例如管板的温差热应力分析就是一个重点。
而对于在相互约束条件下,换热器的管束、管板和壳体的整体模型结构的整体热应力研究并不多。
文献[1]中把换热器管板视为各向同性的轴对称结构,在材料的弹性范围内,且弹性模量和热膨胀系数保持不变的情况下计算热应力,但是没有给出管板壁温的计算方法。
G a n d n e r[2]分析认为板中只在靠近板表面的一层金属中存在较大的温度梯度(称为“表皮效应”),因而只在板表面处存在显著的热应力,而其余部分热应力可以忽略,但是实际上管板的温度场要复杂得多。
S i g n等人[3～5]考虑到三维有限元分析的复杂性,对管板进行了各种简化分析。
薛明德和吴强胜[6]试图从管板(包括与其相连的换热管与壳体)的温度场、热应力场分析出发去探讨改善管板设计的途径,提出了一种分析换热器管板温度场的简化方法。
螺旋套管换热器大变形与热应力分析
刘少北;鲍泽威;范沐易;黄卫星
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2024()3
【摘要】采用“流-固”共轭传热与“热-固”单向耦合的方法,分析了螺旋套管换热器对流换热特性、热膨胀大变形以及对热应力计算的影响。
结果表明:受离心力影响,螺旋管及夹层流体质点形成二次流混合强化螺旋外侧换热,螺旋内管外侧比同一截面内侧点温度更低;在高温换热工况下,在螺旋管因热膨胀而出现显著的变形,其变形量与管壁厚度处于同一数量级,高温工况下螺旋套管换热器热应力计算属于大变形问题,采用大变形有限单元非线性计算结果比小位移线性计算的热应力更大、更加符合实际。
最后,以减小热应力为优化目标,对螺旋套管T型接头布置方位进行了优化,当接管径向布置时热应力比轴向布置减小约1/3。
【总页数】4页(P288-291)
【作者】刘少北;鲍泽威;范沐易;黄卫星
【作者单位】四川轻化工大学机械工程学院;四川大学化学工程学院;过程装备与控制工程四川省高校重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TK172
【相关文献】
1.多头螺旋套管换热器壳程的强化换热数值分析
2.螺旋套管式换热器内流体流动及强化传热分析
3.复合材料大层数层合板热变形热应力有限元分析
4.间断螺旋片强化套管换热器传热性能分析
5.螺旋套管换热器壳程流体湍流换热热力性能数值研究
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板式换热器管板接头补焊残余应力数值模拟罗云;蒋文春;姚延武;张志磊;马学孔;韩继超【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2015(045)012【摘要】板式换热器管板接头处存在大量的焊接残余应力,会引起应力腐蚀开裂,产生泄露现象.利用有限元软件ABAQUS对管板接头补焊残余应力进行数值模拟,从残余应力的角度优化管板补焊接头坡口形状.计算结果表明,在管板焊接接头焊缝和热影响区产生了较大的残余应力,环形应力最大,径向应力次之,轴向应力最小,最大残余应力值产生在焊缝与母材交界处.与L形和V形坡口相比,U形坡口焊接接头的残余应力较小.与单边U形坡口相比,双边U形坡口能够降低焊接残余应力,有利于降低应力腐蚀开裂的敏感性.双边U形坡口是一种最佳补焊坡口形式,为工程上管板式换热器焊接接头补焊工艺提供参考.【总页数】5页(P78-82)【作者】罗云;蒋文春;姚延武;张志磊;马学孔;韩继超【作者单位】中国石油大学(华东)化学工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)化学工程学院,山东青岛266580;中国石油天然气第一建设公司,河南洛阳471023;中国石油天然气第一建设公司,河南洛阳471023;中国石油吐哈油田公司,新疆哈密839009;中国石油天然气第一建设公司,河南洛阳471023【正文语种】中文【中图分类】TG455【相关文献】1.16MnR钢焊接接头多次补焊残余应力数值模拟 [J], 汤洁;巩建鸣;蒋文春2.Q345R钢焊接接头不同部位补焊残余应力的有限元分析 [J], 沈利民;巩建鸣;余正刚;涂善东3.换热器管子与管板焊接接头残余应力数值模拟 [J], 蒋文春;巩建鸣;陈虎;涂善东4.16MnR钢焊接接头补焊残余应力有限元分析 [J], 丁桂泉5.换热器管子与管板焊接接头残余应力的数值模拟 [J], 张莹莹;张翠翠;李帆因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
收稿日期:2006-04-29基金项目:国家留学回国人员科技活动择优资助项目(200209);江苏省“六大人才高峰”项目(06-D -035)换热器管子与管板焊接接头残余应力数值模拟蒋文春, 巩建鸣, 陈 虎, 涂善东(南京工业大学机械与动力工程学院,南京 210009)摘 要:利用有限元软件AB AQUS ,对换热器管子与管板焊接残余应力进行数值模拟,获得了焊接接头残余应力的分布规律,比较了伸出角接头和内角接头的优劣。
计算结果表明,内角接头残余应力比伸出角接头小。
最大径向应力出现在管板表面的热影响区,对管板表面裂纹有主要影响。
最大环向应力出现在焊缝根部,对管子与管板连接失效影响较大。
相邻两换热管之间,由于后面换热管的焊接加热作用,使前面管子焊缝局部应力值下降,有利于降低应力腐蚀开裂的敏感性。
研究结果为优化换热器管子与管板的焊接工艺、控制残余应力提供了理论依据。
关键词:换热器;管子与管板;焊接残余应力;有限元ABAQUS中图分类号:TG404 文献标识码:A 文章编号:0253-360X (2006)12-001-04蒋文春0 序 言换热器最主要的失效形式为管子与管板的连接失效[1～6]。
一方面,存在于焊接接头的残余应力为应力腐蚀提供了条件。
另一方面,管子与管板孔之间存在间隙,壳程介质进入到间隙死角之中,会引起缝隙腐蚀。
因此,换热管与管板连接处成为事故率最多部位,其连接方式成为换热器设计、制造最关键技术之一。
传统换热器绝大部分采用管子伸出管板的角焊结构,内角接头作为另外一种接头形式,在国外换热器中使用较多[7],被广泛应用于核电站蒸发器的管子与管板接头上。
近年来,随着国外化工企业的大量涌入,内角接头在中国也被越来越多地使用。
目前,关于管子与管板焊接接头完整性的研究,主要集中在焊接接头失效行为的研究[3～6],从设计制造等方面采取措施来控制应力腐蚀开裂。
Merah [8]等利用有限元法研究了管子和管板间隙对接头强度的影响。
基于ANSYS的换热器管板应力分析及其优化设计发布时间：2021-06-18T02:32:55.905Z 来源：《中国科技人才》2021年第9期作者：王宜亮[导读] 为研究换热器管板受力复杂的问题，基于ANSYS Workbench软件，以管板应力受管壳程温度载荷、压力载荷和管板厚度的影响为研究对象，研究了其应力分布情况，得出管板在换热器壳程先停工况时最危险；江苏自动化研究所江苏连云港 222061摘要：为研究换热器管板受力复杂的问题，基于ANSYS Workbench软件，以管板应力受管壳程温度载荷、压力载荷和管板厚度的影响为研究对象，研究了其应力分布情况，得出管板在换热器壳程先停工况时最危险；同时对此工况下各参数进行关联性分析和对管板进行优化分析。
结果表明：温度载荷对管板应力分布的影响程度最大，其次是管板厚度，压力载荷影响最小；管板可由原有的35mm厚度优化43%，在管板厚度降低至20mm后，仍满足安全要求，达到安全与经济兼顾。
关键词：管壳式换热器；管板；关联性分析；优化分析Stress analysis and optimization design of heat exchanger tube-sheet based on ANSYSWANG Yiliang( Jiangsu AutomationResearchInstitute, Lianyungang222061)Abstract: In order to study the complex stress on the tube-sheet of heat exchanger, the stress distribution of the tube-sheet was studied by using ANSYS Workbench and taking the influence of temperature load, pressure load and thickness of tube-sheet as the research object. It is concluded that tube-sheet is the most dangerous when the shell side of heat exchanger stops first. At the same time, the correlation analysis of the parameters and the optimization analysis of the tube-sheet are carried out. The results show that: the temperature load has the greatest influence on the stress distribution of the tube-sheet, followed by the thickness of the tube-sheet, and the pressure load has the least influence; the tube-sheet thickness can be optimized by 43% from the original 35mm thickness, and the safety requirements can still be met after the tube-sheet thickness is reduced to 20mm, which can achieve both safety and economy.Key words: Shell-and-tube heat exchanger; Tube-sheet; Relevance analysis; Optimization analysis0前言管壳式换热器管板的设计与优化是为了使换热器在实际运行中更加安全，能有效提高能源的利用率。
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。
换热器应力及变形数值模拟
摘要：
本文利用有限元软件模拟换热器在温度载荷和重力载荷及其耦合作用下所产生的应力应变情况，得到换热器的应力和变形的分布规律。
为换热器结构设计改进提供依据。
关键词：
换热器，温度载荷，耦合，应力
1、前言：
换热器是石油化工等工业中必不可少的工艺设备，管壳式换热器仍然是当今应用最广泛的换热设备。
管壳式换热器操作时，由于管束和壳体等的温度不同，结构所用材料有时也不相同，导致热膨胀不同，从而会产生热应力，若温度差较大时，就可能产生较大变形、扭弯、开焊或破裂。
在换热器的设计和生产过程中，传统的设计方法对换热器的热应力和热变形较难预测。
本文利用有限元软件ANSYS对其进行分析，求出换热器整体的应力和应变的分布规律，为换热器的结构设计提供较清晰准确的依据。
2、列管式换热器模型及工作原理
1-空气出口风箱；2-管板1；3-过渡风箱1；4-管板2；5-带状插件；
6-换热管；7-空气进口风箱；8-管板3；9-过渡风箱2；
10-管板4；11-过渡风箱3；12-管板5
1-air outlet bellow; 2-tube sheet 1; 3-transitional bellow 1; 4-tube sheet 2; 5-twisted tape;
6-heat exchange tube; 7-air inlet bellow; 8-tube sheet 3; 9- transitional bellow 2;
10- tube sheet 4; 11- transitional bellow 3; 12- tube sheet 5
图1列管换热器结构示意图
Fig. 1 Structure of tubular heat exchanger
如图1所示，7.53×106kJ/h列管式换热器由进出口风箱、过渡风箱、管束组
成管程，空气由进口风箱进入，在列管及风箱内流动，经过3次折返后从出口风箱流出；壳程由管板、墙壁及密封装置（图中未画出）组成，烟气从左侧烟气进口流入，从右侧烟气出口流出。
整个换热器中，左端与出口风箱相连的一组管子及管板接触的烟气温度最高，且烟气与空气温差最大，所以这一段的热变形及热应力也会最大，因此本章只对该段进行数值模拟。
在纵向换热器是关于中心面对称的，所以建立了左段模型的一半。
整个换热器的重量约为10T ，对模型施加如图2左图所示的载荷A ：重力加速度载荷；施加如图2左图所示的约束B ：过渡风箱斜面上的位移约束，位移约束Y 方向位移为0mm ，其它两个方向自由，以及右图所示的两个面上的对称约束。
模型空气入口处质量流量为：m=0.392kg/s ，空气入口速度为：s /m 57.11v 1=，烟气入口温度为1073K ，烟气入口速度为s /m 128.3v 2=。
图2模型上的载荷及约束
Fig. 2 Loads and supports of the model 3、结果分析
由于换热器受到受到重力和热载荷等多重作用，为了了解各种载荷下的影响，分别对重力和热载荷单独进行了应力应变分析，然后在此基础上对重力和热载荷的耦合作用进行分析，并对其进行比较。
3.1 重力单独作用下的应力及变形分析
图3重力作用下等效应力云图图4重力单独作用下Y方向变形云图
Fig. 3 Equivalent stress distribution cloud Fig. 4 Y-direction deformation distribution under gravity cloud under gravity
从图3可以看出，在重力单独作用下模型大部分等效应力较小，约在
364.5Pa~4MPa范围内，最大值出现在过渡风箱顶点处，其值为36.7MPa，在材
料的使用要求内。
图4为重力单独作用下Y方向变形云图。
从图4可以看出在
重力单独作用下Y方向的变形量较小，最大值出现在过渡风箱底板处，其值为
1.53mm，方向沿Y轴负方向。
从以上分析可以看出，重力对换热器的影响较小。
3.2 温度载荷单独作用下应力及变形分析
以温度载荷作为体载荷加载到换热器模型上，求解结果如下。
图5 温度载荷作用下等效应力云图图6 温度载荷单独作用下最大等效应力Fig. 5 Equivalent stress distribution Fig. 6 Maximum equivalent stress cloud under thermal loads under thermal loads
从图5可以看出在温度载荷单独作用下模型大部分等效应力约在
43394Pa~25.9MPa，风箱与管板的连接处应力值较大约为100MPa，等效应力最
大值出现在图6所示的过渡风箱顶点处，其值为233Mpa。
从上述分析结果可以
看出温度载荷所产生的应力比重力载荷所产生的应力普遍要大的多，换热器所受
到的应力主要是由温度载荷产生的，在换热器设计中主要考虑温度对换热器强度
的影响是必要的。
图7 温度载荷单独作用下Y方向变形云图图8 温度载荷单独作用下Z方向变形云图Fig. 7 Y-direction deformation distribution Fig. 8 Z-direction deformation distribution cloud under thermal loads cloud under thermal loads
从图7可以看出温度载荷作用下Y方向变形的最大值为11.4mm，处于出口风箱处。
从图8可以看出温度载荷作用下Z方向变形的最大值为6.1mm，沿Z 轴负方向。
在温度载荷影响下，载荷沿竖直方向的变形量比其他方向要大的多，而且重力单独作用下的Y方向变形量与此相比可以忽略不计，在换热器结构设计时应主要考虑温度对变形的影响。
3.3 重力载荷和温度载荷耦合作用下的应力及变形分析
载荷为重力载荷和温度载荷，模型约束与前述相同。
求解结果如下。
图9 重力载荷和温度载荷耦合作用图10重力载荷和温度载荷下的等效应力云图耦合作用下的最大等效应力
Fig.9 Equivalent stress distribution Fig. 10 Maximum equivalent stress
cloud under gravity and thermal loads under gravity and thermal loads
从图9可以看出重力载荷和温度载荷耦合作用下模型的等效应力大部分在76382Pa~30MPa范围内。
风箱与管板的连接处应力值较大约为100MPa，等效应力最大值出现在如图10所示的过渡风箱顶点处，其值为269Mpa。
以上各数值基本都大于或等于温度和重力单独作用的应力值，可见换热器的应力值应综合考虑，特别是综合作用下，过渡风箱顶点处的应力值超过了Q235的屈服强度，但因为只是局部屈服，变形后应力会重新分配，故换热器仍可以正常使用，实际应用中
需要注意的是此处是否会开焊。
图11重力载荷和温度载荷耦合作用下图12 重力载荷和温度载荷Y方向变形云图耦合作用下Z方向变形云图
Fig. 11 Y-direction deformation distribution Fig. 12 Z-direction deformation distribution cloud under gravity and thermal loads cloud under gravity and thermal loads
从图11可以看出重力载荷和温度载荷耦合作用下Y方向变形的最大值为11.3mm，位于出口风箱处。
从图12可以看出重力载荷和温度载荷耦合作用下Z 方向变形的最大值为5.8mm，沿Z轴负方向。
由于载荷耦合作用，以上变形量比温度载荷单独作用下变形量要小一点。
通过比较还可以看出，变形最大的部位并不是应力最大的部位。
可见，载荷综合作用下及机体相互间变形的协调，局部应变并不一定都随应力的增加而简单的相应变大。
因此在换热器结构设计时应考虑各种载荷之间产生应力应变的相互作用及机体间的协调关系，利用综合作用使得各个部分的变形量差值尽量小，进而减小局部应力集中而产生破坏，提高换热器的使用寿命。
4 总结
通过对换热器模型在重力载荷单独作用下、热载荷单独作用下及两者耦合作
用下的应力及变形的模拟分析。
得出换热器模型中热载荷对应力及变形起主导作
用，但重力载荷对其应力和变形的作用也较重要。
换热器上应力最大的部位和变
形较大的部位并不一定位于同一部位。
5、参考文献：。
