换热器管的模型的计算及研制

更新日期:2012-11-20

    波节管换热器作为管壳式换热器的更新换代产品已经得到了广泛的应用,然而其管板的设计计算还没有成熟的方法。一般在设计波节管换热器时,只能把波节管视为光管,仍然采用GB151-1999《管壳式换热器》中的方法进行设计计算,其结果限制了波节管换热器的应用与发展,还可能造成安全隐患。
    文中提出了当量壁厚的设计方法,即通过模拟分析和归纳,根据轴向刚度相等的原则,把一定厚度的波节管壁厚当量成对应光管的壁厚,从而把波节管换热器当成光管换热器来进行管板设计。笔者分别设计了1台波节管换热器和1台光管换热器,通过有限元分析和实验进行了验证,结果证明当量壁厚法可行。
    波节管当量壁厚计算波节管厚度一般在0.5~1.2mm,由于管壁较薄,设计时通常在两端焊接一段厚壁圆筒后再与管板焊接,其结构。波节管对管板受力的影响可看做是直径等于波峰外径的光管对管板受力的影响,因此,对应光管的直径取波节管的波峰直径。
    当量壁厚计算时主要考虑轴向力F对其轴向刚度的影响,通过大量的分析计算,笔者归纳了工业生产中常用的波节管当量壁厚的关系式。文中以19mm/25mm的波节管及25mm的光管为例,介绍其计算过程。
    通过有限元软件Ansys对19mm/25mm的波节管受力进行分析,经拟合得到在一定轴向力F(1kN)作用下,波节管轴向变形ΔLb与壁厚δ及波距b的关系式:ΔLb=Y0 Ae-b/B (Y0′ A′e-b/B′)×(1/δ-1/0.8)(1)式中,常数Y0=25.87,A=5153.6,B=3.0,Y0′=26.22,A′=3738.4,B′=3.2.
    
    通过有限元软件Ansys对25mm的光管进行受力分析,经拟合得出在一定轴向力F(1kN)作用下,光管轴向变形量ΔLg与光管直径dg和壁厚δ的关系式:ΔLg=204/(dgδ)(2)经验证,ΔLg符合下列轴向变形公式:ΔLg=FLEAg=FLEπdgδ(3)式中,Ag为光管截面积,mm2;E为材料弹性模量,MPa;F为轴向力,N;L为长度,mm.
    波节管的轴向变形量ΔLb可以按式(4)的形式进行计算:ΔLb=FLEAd=FLEπdbfδd(4)式中,Ad为波节管的当量截面积(波峰处的截面积),mm2;dbf为当量直径(即波峰直径);δd为当量厚度,mm.
    联立式(3)和式(4)得:FL=ΔLbEπdbfδd=ΔLgEπdgδ(5)由于光管直径等于波节管波峰直径,即dbf=dg,可得到当量壁厚为:δd=ΔLgΔLbδ(6)把式(1)中计算得到的ΔLb和式(2)中计算得到的ΔLg代入式(6)进行计算,即可以得到当量光管的壁厚。
    实例设计了1台波节管换热器和1台光管换热器,波节管换热器公称直径200mm,换热管直径19mm/25mm,波距25mm,壁厚0.8mm,材质0Cr18Ni9.管板厚度23mm,材质16MnR.光管换热器除了用25mm光管代替波节管外,其余结构及参数同波节管换热器。
    有限元分析有限元计算模型以管板、壳体以及换热管所组成的整体为研究对象建立有限元模型。对于兼作法兰的管板边缘部位、远离管板的接管,由于对管板中间承压部分综合应力影响不大,故省略接管和管板法兰边缘的螺栓孔。取换热器长度方向的1/2处为基准面,由于管板布管的对称性,取截面的1/4建立管束、壳体和管板的三维立体模型。波节管换热器和光管换热器有限元模型。
    有限元结果分析波节管换热器管板和光管换热器管板在3MPa内压下的综合应力分布情况。波节管换热器管板最大应力为145.74MPa,光管换热器管板最大应力为136.84MPa.两管板应力分布趋势基本一致,由于波节管刚度小于光管刚度,对管板的支撑作用下降,故管板应力略大。
    将波节管的相关几何参数b=25mm、δ=0.8mm和dg=25mm代入式(1)、式(2)及式(6),联立解得当量壁厚δd=0.3mm.
    用当量光管壁厚0.3mm代替波节管壁厚0.8mm,其余参数同以上波节管换热器,利用类似的方法建立当量光管换热器有限元模型。分析结果表明,当量壁厚光管换热器管板应力与波节管换热器管板应力比值在0.95~1.04,误差在工程许可范围内,表明用波节管当量壁厚法来设计波节管换热器管板的方法是可行的。
    电测实验对如所示的波节管换热器和光管换热器进行管板应力测试,采用北戴河实用电子技术研究所生产的JYB22数字静态应变仪,陕西汉中中航电测仪器股份有限公司制造的BE12023AA(11)应变计进行测试,总共选取16个测试点,3MPa内压下16个测试点处二向应力σx和σy对比情况可以看出,电测实验结果与有限元分析结果十分吻合,绝大多数点的二向应力误差在10以内,表明用有限元方法来模拟波节管换热器及其管板应力分布情况是可靠的。
    应用当量的思想的有限元分析方法归纳了把波节管壁厚当量成光管壁厚的关系式。用有限元法对当量壁厚设计法进行了验证,表明波节管当量壁厚法可行。又通过电测实验验证了有限元分析法的可靠性。因此,该方法可供设计人员参考使用。


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