蒸發(fā)器管束動載荷下異型管板的有限元分析

肖 杰 邵虎躍 申 萍

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院泰州分院)

管殼式蒸發(fā)器是一種典型的熱交換設(shè)備，在制冷、化工及海水淡化等工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。根據(jù)載冷劑可將其分為冷卻液體的蒸發(fā)器(載冷劑主要為水、鹽水或乙二醇水溶液等)和冷卻空氣的蒸發(fā)器兩種。隨著制冷工業(yè)的發(fā)展和制冷技術(shù)的廣泛應(yīng)用，蒸發(fā)器已滲透到人們的生活和工業(yè)生產(chǎn)活動的各個領(lǐng)域。因此，幾十年來，蒸發(fā)器的開發(fā)和研究一直是人們關(guān)注的重要課題之一。

由于制冷裝置蒸發(fā)器設(shè)計參數(shù)的特定性和異型管板布管型式的特殊性，其管板厚度設(shè)計無法按照GB 151-1999[1]進(jìn)行，而行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4750-2003[2]和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中管板厚度計算公式中考慮因素較少，得出的厚度較薄。文獻(xiàn)[3]采用有限元方法對蒸發(fā)器異型管板進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析及優(yōu)化設(shè)計，得出原管板設(shè)計有較多厚度余量。為了更加準(zhǔn)確地對蒸發(fā)器管板進(jìn)行設(shè)計分析，筆者以某企業(yè)蒸發(fā)器管板為對象，在文獻(xiàn)[3]中對管/殼程施加靜載荷的基礎(chǔ)上，再對換熱管上施加由流場引起的動載荷，以此對管板進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析，研究管板在動載荷下的應(yīng)力分布情況。為蒸發(fā)器異型管板工程設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 異型管板結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料參數(shù)

筆者分析的對象是蒸發(fā)器的異型管板，蒸發(fā)器幾何結(jié)構(gòu)尺寸來自國外圖紙，具體幾何參數(shù)見表1，表2為蒸發(fā)器部件材料物性參數(shù)，圖1為異型管板結(jié)構(gòu)零件簡圖。為分析管束動載荷對蒸發(fā)器管板的影響，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。首先需要確定模型幾何尺寸，創(chuàng)建相應(yīng)的模型并劃分網(wǎng)格；然后施加載荷，設(shè)定約束條件；最后求解問題，并進(jìn)行相應(yīng)后處理[4,5]。

表1 蒸發(fā)器幾何參數(shù) mm

表2 蒸發(fā)器部件材料物性參數(shù)

圖1 異型管板結(jié)構(gòu)零件

2 有限元模型

2.1 有限元模型的簡化

由于蒸發(fā)器異型管板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且受計算機(jī)計算能力的限制，需要對管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡化。筆者采用文獻(xiàn)[6，7]中的簡化方法對模型進(jìn)行簡化：

a. 對稱性。如圖1所示，管板上換熱管排列方式左右對稱，所以計算模型可以簡化為具有對稱面的二分之一模型，計算模型中換熱管數(shù)量取蒸發(fā)器設(shè)計的一半。

c. 其他簡化。忽略換熱管在管程伸出長度，忽略堆焊層。換熱管與管板采用強(qiáng)度脹，假設(shè)兩者緊密結(jié)合，建模時共用同一接觸面，不考慮接觸問題。在整個管板位置上，管板厚度并不是完全相同，在布管區(qū)外圍一小部分，厚度略小于38mm，忽略此差異，認(rèn)為厚度一樣。

蒸發(fā)器的有限元模型如圖2～4所示。

2.2 單元選擇與建模

筆者所建立的模型全部采用實(shí)體單元模擬，這種有限元模型的特點(diǎn)是整個蒸發(fā)器采用實(shí)體單元模擬，無論是結(jié)構(gòu)上還是幾何上都沒有太大的簡化。其優(yōu)點(diǎn)是計算精度高，結(jié)構(gòu)分析和熱分析都能得出精確的結(jié)果；缺點(diǎn)是蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)龐大，這就決定了劃分出來的單元數(shù)目非常多，對如此龐大的有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)和熱分析以及數(shù)據(jù)處理都是非常困難的。

圖2 蒸發(fā)器管板布管簡圖

圖3 蒸發(fā)器有限元結(jié)構(gòu)

圖4 蒸發(fā)器異型管板有限元網(wǎng)格劃分

SOLID45體單元具有塑性、膨脹、蠕變、應(yīng)力硬化、大變形和大應(yīng)變特性，是8節(jié)點(diǎn)六面體單元，每個節(jié)點(diǎn)有3個自由度，即x、y和z方向的位移，用于模擬三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。單元由各向同性的材料參數(shù)來定義，需要定義的主要材料常數(shù)有楊氏模量(Ex、Ey、Ez)、Possion比(NUXY，NUYZ，NUXZ)及密度等；輸出結(jié)果主要有節(jié)點(diǎn)各方向的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、主應(yīng)力、主應(yīng)變和相應(yīng)的單元導(dǎo)出解。

SOLID70是與SOLID45對應(yīng)的熱分析單元，在專門的熱分析中用來代替SOLID45單元。它的載荷可以是溫度和熱流，輸出可以是該節(jié)點(diǎn)的溫度。將此單元分析的溫度場結(jié)果以溫度載荷的形式施加到SOLID45單元上，從而進(jìn)行熱應(yīng)力計算。

2.3 載荷及模型邊界條件

換熱管和筒體一端固定在管板上，另一端施加軸向約束；管板兼做支座，底部施加約束反力；對稱面上施加對稱約束；管板管程側(cè)和換熱管內(nèi)部施加管程設(shè)計壓力pt，筒體內(nèi)表面和換熱管外表面施加殼程設(shè)計壓力ps；在管板螺栓部位施加螺栓在操作狀態(tài)下需要的最小螺栓力Wp和墊片壓緊力FG，經(jīng)計算，法蘭螺栓力為1359.236kN，墊片壓緊力為58.589kN。其有限元模型載荷和邊界條件如圖5所示。

圖5 有限元模型載荷和邊界條件

在對蒸發(fā)器管板模型進(jìn)行強(qiáng)度分析之前，先對其進(jìn)行熱分析并得到模型的溫度場。蒸發(fā)器管板結(jié)構(gòu)的溫度載荷如圖6所示。

圖6 蒸發(fā)器模型溫度云圖

在蒸發(fā)器蒸發(fā)模擬中利用FLUENT軟件對換熱管壁面受力進(jìn)行監(jiān)測，得到管束受兩相流體繞流等因素產(chǎn)生的脈動載荷如圖7所示。由圖7可知，脈動載荷具有周期特性，為方便加載操作，故在ANSYS軟件中以時間函數(shù)的方式對管束進(jìn)行加載。簡化后的載荷模型為：

F=|0.9sin(50πt)|+12.2

圖7 模型脈動載荷

3 結(jié)果分析與評定

通過ANSYS軟件對管束動載荷下異型管板進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析。圖8給出了異型管板有限元分析的Tresca應(yīng)力云圖。從圖8可以看出，異型管板在脈動載荷的作用下其當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度分布與靜載荷分析時一致，但最大當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度值有所增加。不管換熱管束是否受到脈動載荷，管板上的最大應(yīng)力都是集中在管板布管區(qū)域處，其次為管板與筒體連接處，而管板非布管區(qū)應(yīng)力強(qiáng)度值較低，最大應(yīng)力強(qiáng)度出現(xiàn)在下端換熱管與管板連接處。圖9給出了異型管板的靜力分析和動力學(xué)分析的總位移云圖。從圖9可以看出脈動載荷增加了管板的應(yīng)變位移，由于管板上下開孔的不對稱，管板不同開孔處應(yīng)變位移不一致，上端開孔處的應(yīng)變位移較大。

a. 靜力分析

b. 瞬態(tài)動力學(xué)分析

a. 靜力分析

b. 瞬態(tài)動力學(xué)分析

圖10a、b分別給出了管板開孔區(qū)不同位置節(jié)點(diǎn)(各節(jié)點(diǎn)位置如圖4)沿y和z軸方向(坐標(biāo)系統(tǒng)如圖3)的位移隨時間變化曲線。從圖10可以看出，開孔區(qū)不同位置的應(yīng)變位移受脈動載荷的影響不同，管板上端管孔處受的位移變化幅度大于下端管孔處?？梢娚隙斯苁苊}動載荷的影響最為明顯。

對異型管板最大Tresca當(dāng)量應(yīng)力位置進(jìn)行應(yīng)力線性化處理。從圖11可以看出，管板局部薄膜應(yīng)力為212.397MPa小于管板材料Q345的許用應(yīng)力的1.5倍(244.5MPa)。管板一次加二次應(yīng)力為262.312MPa小于材料Q345的許用應(yīng)力的3倍(489MPa)。按照文獻(xiàn)[7]可知其設(shè)計強(qiáng)度滿足安全要求。

a. y方向

b. z方向

圖11 應(yīng)力強(qiáng)度沿最大應(yīng)力點(diǎn)分布

比較圖8、9管板應(yīng)力分析結(jié)果可知，考慮動載的蒸發(fā)器管板最大Tresca當(dāng)量應(yīng)力值大于相應(yīng)靜載下的值，因此傳統(tǒng)的基于靜載的蒸發(fā)器管板分析設(shè)計結(jié)果尚存在一定的誤差，須考慮一定的安全余量。

4 結(jié)束語

應(yīng)用ANSYS軟件，對兩相流體繞流與氣泡脫離作用下，制冷裝置蒸發(fā)器異型管板進(jìn)行強(qiáng)度分析。結(jié)果表明：應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)位于在管板與換熱管連接處，考慮動載的蒸發(fā)器管板最大Tresca當(dāng)量應(yīng)力值大于相應(yīng)靜載下的值。管板上端開孔處位移變化幅度大于下端開孔，脈動載荷對上端換熱管與管板的脹焊連接的破壞影響強(qiáng)于下端換熱管與管板連接。對異型管板進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評定，評定結(jié)果安全。

[1] GB 151-1999，管殼式換熱器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[2] JB/T 4750-2003，制冷裝置用壓力容器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[3] 鄭麗娜.蒸發(fā)器異型管板CAD/CAE系統(tǒng)研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2009．

[4] 吳鴻慶，任俠.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[5] 邢靜忠，王永崗.有限元基礎(chǔ)與ANSYS入門[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：30～35.

[6] 余偉煒，高炳軍. ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[7] JB 4732-1995(2005)，鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(2005年確認(rèn))[S].北京：新華出版社，2005.

[8] Subbaiah K V，Sarangapani R.GUI2QAD-3D:A Graphical Interface Program for QAD-CGPIC Program[J]. Annals of Nuclear Energy，2006，33(1)：22～29.