高参数换热器管板热应力分析模型的研究_谭蔚
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压力容器设计技术进展
第七届全国压力容器设计学术交流会议交流论文选登(二)
编者按:根据中国机械工程学会压力容器分会2010年度学术工作计划安排,第七届全国压力容器
设计学术交流会议已于2010年11月在江苏省溧阳市召开。会议共宣读交流论文40余篇,这些论文集
中反映了近年来我国科技工作者在压力容器设计领域不断探索、不断创新所取得的成果,并使之应用于
相关工程实践中的成功经验,对今后压力容器技术创新工作具有借鉴作用。《压力容器》杂志作为传播
先进技术、交流科技成果的媒体,为了更好地体现为压力容器行业服务、促进行业技术进步的办刊宗旨、
支持科研技术人员参加压力容器学会组织的学术交流活动,特从这次学术会议交流论文中挑选了数篇
文章,在杂志上刊登,以飨读者。
高参数换热器管板热应力分析模型的研究
谭 蔚,杨 星,杨向涛
(天津大学化工学院,天津 300072)
摘 要:常规的管板设计方法是用等效无孔实心板来代替多孔管板,采用比较简单的公式、曲线、图
表进行设计计算,但是这些计算无法准确考虑管板温度差引起的热应力。目前常用有限元方法,通
过施加温度载荷和对流载荷计算得到管板的温度场,进而求出管板的温差应力,但计算结果的准确
性一直是许多研究者关注的问题。采用有限元方法,以U型管式换热器管板为例,分别按给定管
板表面温度、给定流体温度和管板表面传热膜系数、包含温度场在内的流固耦合三种分析模型计算
得到管板的温度场,进而对比分析了不同模型对管板热应力计算结果的影响。研究结果为管板强
度的精确设计提供了借鉴。
关键词:管板;温度场;热应力;有限元模型;换热器
中图分类号:TQ051.5 文献标识码:A 文章编号:1001-4837(2011)02-0044-07
doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2011.02.009
StudyonAnalyticalModelsofThermalStressinTubeSheet
ofHeavyDutyHeatExchanger
TANWei,YANGXing,YANGXiang-tao
(SchoolofChemicalEngineeringandTechnologyofTianjinUniversity,Tianjin300072,China)
Abstract:Conventionalmethodoftubesheetdesigniswiththeperforatedplatereplacedbytheequivalent
imperforatedplate,usingrelativelysimpleformula,curveandchartsforthecalculationsofdesign.How-
ever,thesecalculationscouldnotgetthethermalstressoftubesheetcausedbytemperaturedifference.
Atpresent,thetemperatureofthetubesheetsurface,andthebulktemperatureandtheheattransferfilm
coefficientwereassumedtogetthetemperaturefieldsusingthefiniteelementmethod.Thenthethermal
stressfieldsofthetubesheetareobtained.However,theaccuracyoftheresultsisconcernedbymanyre-
searchers.ThreeanalyticalmodelswereappliedfirsttocalculatethetemperaturefieldofaU-tubeheat·44·exchangerusingthefiniteelementmethod.Inthethreemodels,thetemperatureofthetubesheetsur-
face,thebulktemperatureandtheheattransferfilmcoefficient,andthefluid-solidcoupledheattrans-
fersimulationwereassumed,respectively.Thenthethermalstressfieldsofthetubesheetwereobtained
inthetemperaturefieldscalculatedabove.Theresultsshowtheeffectofdifferentanalyticalmodelsonthe
simulationofthethermalstressfield,servingasareferenceforaccuratetubesheetdesign.
Keywords:tubesheet;temperaturefield;thermalstress;finiteelementanalysismodel;heatexchanger
0 引言
在管壳式换热器中,管板是连接壳体、管束和
管箱,并承受压力的主要部件。正确地分析管板
受力情况,合理地确定管板的厚度,对保证换热器
的安全运行、节约材料、降低成本起着非常重要的
作用。常规的管板计算方法是根据弹性薄壳理
论,用等效无孔实心板来代替多孔管板,采用比较
简单的公式、曲线、图表进行设计计算,但是这些
计算并没有考虑管板温度差引起的应力[1]。目
前,比较方便地处理温差应力的方法是利用有限
元软件,通过施加温度载荷[2-3]和对流载荷[4-5]
计算得到管板的温度场,进而得出管板的温差应
力。
然而,承受高温差、高压以及大结构尺寸的换
热器管板的热应力情况十分复杂,只有准确求出
管板的温度场,才能得到真实的管板热应力结果,
从而精确地进行管板设计,为此采用一个合适的
分析模型来模拟实际的管板热应力场是十分必要
的。文中采用有限元方法,以U型管式换热器管
板为例,分别按给定管板表面温度(施加温度载
荷)、给定流体温度和传热膜系数(施加对流载
荷)、包含温度场在内的流固耦合(流固耦合分
析)3种分析模型计算得到管板的温度场,进而对
比不同模型对管板温度场和热应力场计算结果的
影响。
1 有限元分析模型
1.1 几何模型的结构尺寸及工艺条件
换热器简图如图1所示,其为双管程双壳程
结构,几何模型的主要尺寸见表1。换热器的主
要工艺参数具体见表2。
1.2
有限元模型的建立图1 换热器结构简图表1 几何模型的主要结构尺寸
参数管板厚度管板外直径筒体外直径筒体厚度换热管外直径换热管厚度
尺寸/mm10056056030252.5表2 换热器的主要工艺参数
项目工作介质设计压力/MPa设计温度/℃工作温度/℃(进口/出口)
管程空气12.2400340/285壳程空气12.2400130/325
文中主要分析3种不同的模型对管板热应力
计算结果的影响,而3种模型的分析区域并不完
全相同。其中图1的分析区域Ⅰ为包括管板、部
分管箱筒体
、部分壳程筒体和部分换热管在内的
管板模型,是施加温度载荷方法和施加对流载荷
方法所考虑的模型;分析区域Ⅱ为流固耦合分析
方法所考虑的模型,包含了管板附近的流体和固
体部分。
为了建模方便,忽略换热管在管箱侧的伸出
长度;认为换热管和管板紧密结合,不考虑换热管
与管板的接触问题。
1.21 施加温度载荷方法的有限元模型·45·第28卷第2期 压 力 容 器 总第219期为了充分考虑换热管对管板温度场的影响以
及开孔补强作用,在壳程侧取有限长度的外伸管
子和壳体。根据边缘效应,其影响长度■L的计
算公式[6]为:
ΔL≥2.5Rt
式中 R———容器的内半径
t———容器壁厚
管子需保留的外伸长度为ΔL≥12.5mm,取
60mm;壳体需保留的外伸长度为ΔL≥216.5
mm,取495.15mm。
温度场分析采用8节点六面体热分析单元
Solid70,热应力分析采用8节点六面体结构分析
单元Solid185。两者可以相互转化,比较适用于
本模型。
图2示出施加温度载荷方法的热边界条件,
图3示出建立的有限元模型,图4示出管板的网格划分情况。
图2
施加温度载荷方法的热边界条件图3 施加温度和对流载荷方法的有限元模型(壳程筒体隐去1/4)
图4 施加温度和对流载荷方法的管板网格划分
1.2.2 施加对流载荷方法的有限元模型
施加对流载荷方法的有限元模型与施加温度
载荷方法的有限元模型完全相同,仅是热边界条
件不同,其中管板表面的流体温度及传热膜系数
如图5所示,其他表面的流体温度和传热膜系数
如图6所示(图中“@”之前的数字是温度,单位
为℃;“@”之后的数字是传热膜系数,单位为
W/(m2·℃),这些数据由HTRI软件计算得到)。
图5 管板表面的流体温度及传热膜系数·46·CPVT 高参数换热器管板热应力分析模型的研究 Vol28.No22011
图6 其他表面的流体温度和传热膜系数
1.2.3 流固耦合分析方法的有限元模型
为了较准确地得到管板的温度分布情况,需
要先得到流体正确的流场分布,因此本模型仅在
壳程部分对流体进出口部分进行简化,以保证流
场的准确性。
热-流体耦合分析采用8节点六面体流体单
元FLUID142,热应力分析采用8节点六面体结
构分析单元Solid45。两者可以相互转化,比较适
用于本模型。
图7示出流固耦合热分析方法的热边界条
件。图8示出建立的有限元模型,其中固体部分
见图9,流体部分见图10,管板的网格划分情况如
图11所示。
图7 流固耦合分析方法的热边界条件
2 3种模型温度场结果分析
图12示出3种模型的温度场分布云图,图
13示出温度场的路径分布,图14示出各路径上
的温度分布曲线(图中“modell”
代表施加温度载图8 流固耦合分析方法的有限元模型
图9 流固耦合分析方法的固体有限元模型(壳程筒体隐去1/4)
图10 流固耦合分析方法的流体有限元模型
图11 流固耦合分析方法的管板网格划分
荷模型,“model2”代表施加对流载荷模型,“mod-
el3”代表流固耦合分析模型)。·47·第28卷第2期 压 力 容 器 总第219期
