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：。
