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列管式换热器轴的力量分析解释

发布时间:2020-08-25 人气:200
管壳式换热器因为其结构简单、传热面积大、能承受较高的温度和压力,被广泛运用于石油化工行业。本文针对固定管板换热器,按照多跨支承模拟计算了换热管的轴向应力分布情况,给大家做扩展换热器知识面的参考借鉴。


换热器结构参数以如图1某型换热器为例,其结构参数如表1所示:               图1换热器壳程机构示意图表1换热器参数换热管轴向力分析考虑换热器模型较大,折流板较多,如果采用整体建模进行固有频率计算较为困难。 

      管壳式换热器因为其结构简单、传热面积大、能承受较高的温度和压力,被广泛运用于石油化工行业。本文针对固定管板换热器,按照多跨支承模拟计算了换热管的轴向应力分布情况,给大家做扩展换热器知识面的参考借鉴。




换热器结构参数

以如图1某型换热器为例,其结构参数如表1所示:


图1 换热器壳程机构示意图


表1换热器参数




换热管轴向力分析


考虑换热器模型较大,折流板较多,如果采用整体建模进行固有频率计算较为困难。因此采用简化整体模型计算其换热管轴向力,并通过换热管简化模型与轴向力计算换热管的固有频率。


计算模型


由于主要计算换热管的轴向应力,因此将折流板、管箱、接管等影响较小的部件在建模时都不予考虑,并且由于不计算管板的应力强度,因此不需要考虑换热管开孔对于管板的削弱作用,可以采用壳单元Shell81对管板进行简化建模。同时考虑换热管较长,采用梁单元Beam189对换热管进行建模,在管板与换热管连接处采用节点耦合的方法进行连接。模型如图3所示:


图3 有限元模型



图4 换热器网格



边界条件载荷施加


由于换热器管壳程温差应力是引起其轴向力的主要原因,因此在计算时不考虑换热管因管壳程压力差引起的轴向力。根据换热器工艺参数,其管壳程温度差最大可达到80℃,因此在计算时在换热器管程施加80℃温度场。由于换热器管

壁厚较薄,因此不考虑换热管壁厚方向的温度差。

换热器计算参数如表2所示:

表2 模型计算参数


换热器支座一端设置为全约束,另一端释放换热器轴向(UZ)方向位移约束。



计算结果分析



图5  换热器轴向应力图


根据图5可知,换热管最外圈轴向压应力最大,为-86.478MPa。随着换热管位置不断向换热器中心靠近,其轴向应力逐渐由压应力逐渐变小,最终变为轴向拉拉应力。在中心位置的换热管承受24.0403MPa的轴向拉应力。这主要是由于换热管边缘处由于筒体的强化作用,其刚度较高,不易变形,随着位置逐渐向中心靠近,其刚度逐渐降低。




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