管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

【摘要】對(duì)于化工企業(yè)來說，經(jīng)常會(huì)應(yīng)用到換熱器。但是由于換熱器的種類較多，在實(shí)際使用中影響換熱器的強(qiáng)度的因素也各不相同。為此應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的情況對(duì)換熱器進(jìn)行再次優(yōu)化處理。本文本通過以管殼式換熱器為研究對(duì)象，在對(duì)強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行說明的同時(shí)提出合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。也希望通過對(duì)本文的研究說明有助于企業(yè)對(duì)管殼式換熱器的進(jìn)一步優(yōu)化處理。

【關(guān)鍵詞】管殼式換熱器；優(yōu)化；換熱；設(shè)計(jì)；模型

引言

管殼式換熱器是化工廠常見的設(shè)備，如果對(duì)換熱器的強(qiáng)度計(jì)算出現(xiàn)失誤很容易造成換熱器的損壞以及給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。所以想要加強(qiáng)管殼式換熱器的管理就應(yīng)該掌握準(zhǔn)確、有效的強(qiáng)度計(jì)算方法。此外，根據(jù)每個(gè)企業(yè)的實(shí)際情況不同，采取合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。這樣才能有效確保管殼式換熱器安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

1、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算

管式換熱器在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算過程中主要包括兩方面的內(nèi)容：第一、對(duì)換熱器中的筒體、封頭、開孔、支座進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。第二、對(duì)換熱器的特有強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。其中主要包括有：管子軸向應(yīng)力、管板厚度計(jì)算、筒體軸向應(yīng)力校核等。當(dāng)換熱器中使用膨脹節(jié)時(shí)，那么還需要對(duì)膨脹節(jié)處進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

1. 1管板的強(qiáng)度計(jì)算

由于管板的強(qiáng)度設(shè)計(jì)跟開孔和與其相連接的管束有直接的聯(lián)系，所以在進(jìn)行管板強(qiáng)度設(shè)計(jì)的時(shí)候要根據(jù)實(shí)際的情況考慮各種因素。其中對(duì)于管板的厚度設(shè)計(jì)可以分為以下幾種：第一、對(duì)管板設(shè)計(jì)時(shí)可以將管板作為受均布載荷的實(shí)心圓板，這時(shí)圓平板主要承受最大彎曲應(yīng)力。在進(jìn)行修正系數(shù)添加時(shí)還應(yīng)該考慮到管板開孔消弱以及管束的實(shí)際承受對(duì)管板的影響。由于這種計(jì)算較為簡單，所以在進(jìn)行管板厚度計(jì)算時(shí)同樣可以使用。第二、可以把管束作為彈性支承，這時(shí)管板則只是作為彈性基礎(chǔ)上的圓平板。在進(jìn)行管板彎曲應(yīng)力計(jì)算時(shí)，還應(yīng)該充分考慮到管束的剛度、負(fù)荷大小等對(duì)它的影響。由于這種計(jì)算比較精密，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，在以后也將是一種有效的設(shè)計(jì)方法。第三、以管板上相鄰的四根管子組成的棱形面積為參考依據(jù)，計(jì)算出在棱形面積處所受到的最大彎曲壓力。由于這種計(jì)算方法與實(shí)際存在一定的差距，所以只可用作粗略計(jì)算。

1.2 圓平板的強(qiáng)度計(jì)算

管束對(duì)管板的支撐效果根據(jù)換熱氣的結(jié)構(gòu)不同而出現(xiàn)相異的變化。其中主要表現(xiàn)在：固定管板式換熱器的管束對(duì)管板主要起到了支撐效果，但是U形管式換熱器管子卻對(duì)管板起不到任何支撐作用。所以對(duì)于管板的計(jì)算還要充分考慮換熱器的類型以及相互之間的支撐作用，最終來確定結(jié)構(gòu)系數(shù)K。

以下是根據(jù)彎曲強(qiáng)度為主要依據(jù)，計(jì)算管板厚度tc的計(jì)算公式：

其中式中：C為附加厚度（mm）；Dc為管板計(jì)算直徑（mm）；K為結(jié)構(gòu)系數(shù)，當(dāng)管子為直管時(shí)，修正系數(shù)K=1.0；P為設(shè)計(jì)壓力（MPa）；為管板材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（MPa）。

在對(duì)管板的剪切強(qiáng)度計(jì)算時(shí)還應(yīng)該充分考慮到開孔削弱系數(shù)，此時(shí)的計(jì)算公式為：

式中：t0為管孔中心距（mm）；d0為管子外徑（mm）；D0為布管區(qū)最外圈管子中心圓直徑（mm）。

在進(jìn)行管板強(qiáng)度計(jì)算時(shí)還應(yīng)該充分考慮管板的最小厚度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等因素，這樣才會(huì)根據(jù)實(shí)際情況準(zhǔn)確計(jì)算出管板的實(shí)際強(qiáng)度。

2、管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

2.1 Kern法

Kern法則是在Colburn Donohue法基礎(chǔ)之上進(jìn)行的再次升級(jí)，其中設(shè)計(jì)的思路以整體為中心，著重從污垢、溫度分布、傳熱等問題思考。這樣可以對(duì)管殼式換熱器的設(shè)計(jì)有了進(jìn)一步提高，也給后期的管殼式換熱器設(shè)計(jì)提供有效借鑒。

2.2 流路分析法

由于Bell2Delaware優(yōu)化辦法存在一定的弊端，在此基礎(chǔ)上美國熱傳研究公司根據(jù)Tinker的流動(dòng)模型為主要原理，對(duì)Bell2Delaware進(jìn)行了再次創(chuàng)新，從而提出了流路分析法。我國的天津大學(xué)在1979年也提出了相應(yīng)的流路分析法，其中主要是對(duì)管殼式換熱器的殼側(cè)壓降進(jìn)行計(jì)算。為了便于計(jì)算，通過使用計(jì)算機(jī)再次簡化了計(jì)算流程。Johnson和Wills在1984年對(duì)流路分析進(jìn)行了再次的簡化處理，同時(shí)也可以用人工的方式進(jìn)行操作。這樣大大降低了計(jì)算的復(fù)雜程度以及優(yōu)化使用方法，直接推動(dòng)了管殼式換熱器的發(fā)展。

2.3 基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)法

由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在管殼換熱器設(shè)計(jì)、計(jì)算過程中不斷融入計(jì)算機(jī)技術(shù)。這樣直接降低了計(jì)算的復(fù)雜程度。此外，設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)一步優(yōu)化也有效降低了設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本以及有效提高經(jīng)濟(jì)效益。其中管殼式換熱器的發(fā)展主要包括以下三個(gè)階段：

第一階段，對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程處理。通過編制相應(yīng)的程序?qū)軞な綋Q熱器進(jìn)行計(jì)算，這樣可以有效加快計(jì)算速度以及準(zhǔn)確性，從代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復(fù)雜人工計(jì)算。 第二階段，對(duì)與計(jì)算機(jī)相互關(guān)聯(lián)的輔助系統(tǒng)進(jìn)行再次優(yōu)化，這樣可以有效確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保證企業(yè)可以獲得更多的利潤以及有效降低企業(yè)的生產(chǎn)投資成本。第三階段，以數(shù)值傳熱學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)為原理，對(duì)管殼式換熱器的傳熱行為和三維流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，這樣可以進(jìn)一步對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行再次優(yōu)化。

流體動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)于之前的管殼式換熱器的設(shè)計(jì)相比更符合實(shí)際的發(fā)展需求，這樣也進(jìn)一步增強(qiáng)了管殼式換熱器在實(shí)際使用中的適用性；對(duì)于以單級(jí)模型為依據(jù)的多級(jí)換熱系統(tǒng)模型來說，由于添加了復(fù)合式計(jì)算方法直接讓整體模型更為簡潔及適用性更高。但是就目前的管殼式換熱器優(yōu)化方法來說還存在一定的弊端，因此需要我們不斷的進(jìn)一步研究，爭取不斷彌補(bǔ)技術(shù)上的不足。

3、結(jié)束語

本文通過對(duì)管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行說明，希望有助于企業(yè)對(duì)管殼式換熱器的科學(xué)管理。但是就目前而言我國的管殼式換熱器在發(fā)展中還存在一定的弊端，因此應(yīng)該投入更多的經(jīng)歷不斷研究創(chuàng)新，從而可以更好的適應(yīng)工業(yè)事業(yè)的發(fā)展。

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