固定管板式换热器应力的有限元分析.pdf

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1、第3O卷第12期煤矿机械V01．30No．122o09年12月CoalMineMachineryDec．2009固定管板式换热器应力的有限元分析贾慧灵。杜鹏飞。何江峰(1．内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头014010；2．内蒙古包头市交通运输管理处，内蒙古包头014010)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：受热栽荷作用的换热器。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2mm处管板上的应力最大：换热器的

2、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；应力分析中图分类号：0242．21：TQ051．5文献标志码：A文章编号：1003—0794(2009)12—0087—02FiniteElementAnalysisonStressofFixedtubeSheetHeatExchangerJIAHui—ling。DUPeng—fei，HEJiang—feng(1．InstituteofMechanicalEngineering，InnerMongoliaUniversityofSciencesandTechn

3、ology，Baotou014010，China；2．BaotouCommunicationandTransportationManagementBureau，Baotou014010，China)’Abstract：Astructuralmodeloffixedtube—-sheetheatexchangerisestablishedbyusingthefiniteelementsoftwareANSYS．Stressdistributionfieldsoftheheatexchangerunderthreeoperatingcasesa

4、recalculated，andstrengthofthemostdangerouscaseischecked．Theresultsindicatethatthemaxiumstresslocatesattheconnectingfilletoftubesheetandtubechanne1．Thestressismostin2mm—layeroftubesheetontheshellsideowingto“skineffect”；andsafetycoefficientsofpartsarealllargerthan2SOthatnorm

5、aldesignmethodistooconservative．Keywords：fixedtubesheetheatexchanger：FEM：stressanalysisO引言采用APDL语言先建立管板和换热管的横向截固定管板式换热器是受力最复杂的管壳式换面，借用辅助单元She1157划分网格，沿轴向拖拉成热器．当管束与壳体的温度及材料的线膨胀系数相三维模型。再建立管箱和壳体的轴向截面，绕轴旋差较大时，承压壳体与管束中将产生较大的热应转，生成如图l所示的换热器有限元模型。该模型力，会进一步增大各部件中的应力。本文采用有限外径为508mm

6、，管板厚度为32mm，壳体与管箱的元软件ANSYS分析某化工厂的一台DN500固定管壁厚为6mm，换热管尺寸为625ram~2mm。总单元板式换热器。建立带有真实管箱和换热管的有限元数为44420个，总节点数为80451个。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有限元模型的建立图1换热器有限元模型以换热器轴向为Z轴．垂直于纸面方向为热分析时在壳程侧管板面、壳体内表面和换热轴，竖直方向为l，轴建立总体坐标系。忽略进出口管外表面施加44．7℃的温度载荷，管程侧管板面、管接管的影响．

7、换热器几何结构和承受载荷关于坐标箱内表面和换热管内表面的温度载荷为l12．8℃。面对称。取118模型为研究对象。为避免边缘效应影壳体、换热管和管箱中流体的平均对流传热系数分响，管箱伸出管板的长度应大于113mm，本文取管别为834、896．9W／(m~C)和180．6W／(m~C)。结构分析箱长度150mm。时，在3个对称面上约束法线方向的位移，在管箱换热器上各部件的材料属性如表1所示。为保的横截面上施加相应的轴向拉应力。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—2应力场计算和强度校核

8、ID45。换热器在操作过程中，会出现7种可能工况。表1材料属性经分析，本台设备温度场产生的应力远大于压力载荷产生的应力，本文只计算3种工况：管程、壳程压力和温度载荷同时作用．只有