非對稱管殼式換熱器結(jié)構(gòu)分析及改進中的問題

張守偉 于鴻洲

（山東旭洋機械集團股份有限公司，臨沂 276000）

非對稱管殼式換熱器結(jié)構(gòu)分析及改進中的問題

張守偉 于鴻洲

（山東旭洋機械集團股份有限公司，臨沂 276000）

本文針對非對稱管殼式換熱器結(jié)構(gòu)及改進中的問題展開研究，為擴大其應(yīng)用范圍和優(yōu)化性能提供參考。

非對稱 管殼式換熱器 結(jié)構(gòu)

引言

現(xiàn)階段，固定管殼式換熱器和非對稱管殼式換熱器的研究現(xiàn)狀決定，針對非對稱管殼式換熱器結(jié)構(gòu)進行分析和改進，建立在固定管殼式換熱器基礎(chǔ)上。具體的，在對其管板內(nèi)徑、管板厚度、法蘭外徑、法蘭螺栓圈直徑和個數(shù)、墊片內(nèi)外徑、殼體厚度、換熱管尺寸以及各結(jié)構(gòu)材料、換熱器設(shè)計中參考的壓力和溫度、操作中適用的壓力和溫度準(zhǔn)確掌握的基礎(chǔ)上，需建立溫度場有限元模型和結(jié)構(gòu)有限元模型。

1 非對稱管殼式換熱器結(jié)構(gòu)分析

換熱器結(jié)構(gòu)的溫度分布受管程、殼程內(nèi)流體的流動和傳熱的直接影響，但換熱器殼程中存在的換熱管束等結(jié)構(gòu)形狀并不規(guī)則，使流體的傳熱過程和流動形式變得更加復(fù)雜。所以，通過有限差分析法對其相關(guān)數(shù)值進行模擬，具有可行性[1]。在具體設(shè)計過程中，要有意識地結(jié)合換熱器的實際運行狀態(tài)，對其所處的溫度場邊界進行模擬，以此保證模擬結(jié)果的可信度。

通過溫度場有限元模型和結(jié)構(gòu)有限元模型兩個三維有限元結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，在非對稱管殼式換熱器整體結(jié)構(gòu)中，由于殼體和管板連接結(jié)構(gòu)在換熱器工作中幾何變化幅度大而膨脹節(jié)位置厚度較小，在此類換熱器下半截溝不存在換熱管的情況下，應(yīng)力相對較大；而在管板結(jié)構(gòu)中，管板中心區(qū)域的應(yīng)力最小，而隨著測量位置與中心區(qū)域距離的不斷擴大，應(yīng)力也會隨之減少。換言之，在管板的上邊緣和右下角的應(yīng)力最大，在管板布管應(yīng)力相對較大的位置，換熱管的拉脫力也相對較大；反之，亦然[2]。另外，通過應(yīng)力校核線布置和第三輕度理論校核強度可以發(fā)現(xiàn)，強度校核是不通過的。這與殼體溫度與徑向熱變形之間具有較顯著的正相關(guān)性，而管板厚度與抗變形剛度逐漸具有顯著正相關(guān)性關(guān)系密切。

所以，要使此種非對稱管殼式換熱器結(jié)構(gòu)滿足強度條件，可以通過降低管板厚度和提升筋板數(shù)量等措施實現(xiàn)。通過對應(yīng)力水平相對較大的管板管區(qū)邊緣位置進行應(yīng)力強度有限元分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著與其中部距離的加大，應(yīng)力會不斷提升，使管板的表面達到最大。即使在彎曲變形的狀態(tài)下，此規(guī)律也不會發(fā)生變化[3]。另外，由于管板和換熱管之間的焊接，管板殼程和管程的應(yīng)力并不相同，前者明顯高于后者。此外，在此狀態(tài)下，膜應(yīng)力和總應(yīng)力滿足強度校核要求。

2 非對稱管殼式換熱器結(jié)構(gòu)改進問題分析

由于非對稱管殼式換熱器結(jié)構(gòu)的部分應(yīng)力分布規(guī)律不能滿足強度校核的要求，所以要對其結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)改進。筆者認為，按照此類換熱器結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，在進行結(jié)構(gòu)改進的過程中，主要可以從以下方面進行。

2.1 改進同管板連接

由于換熱器設(shè)計參數(shù)一定，所以通過更改換熱管截面幾何尺寸，優(yōu)化換熱管拉脫力，使其強度滿足校核要求并不具有可行性。同時，即使適當(dāng)?shù)脑黾託んw厚度，也不能直接有效地提升換熱管拉脫力。所以，在改進過程中，應(yīng)以直接提升換熱管許用拉脫力為主。換熱管許用拉脫力可計算獲取，其中L代表換熱管和管板連接的焊接高度。可見，通過改進同管板的連接，可以達到預(yù)期效果[4]。例如，通過上述計算公式可以發(fā)現(xiàn)，在將原本3mm的焊接高度提升1mm后，換熱管的許用拉脫力會提升近34%，效果明顯。

2.2 減少管板厚度

在此類殼式換熱器正常運行過程中，殼體和管板之間會產(chǎn)生不均勻的溫度分布，使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力提升。所以，適當(dāng)縮減管板厚度，可降低應(yīng)力的同時，達到降低管板生產(chǎn)成本的效果。正常情況下，應(yīng)力強度中，膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、峰值應(yīng)力和總應(yīng)力分別達到125.6MPa、191.7MPa、67.54MPa、277.6MPa。在液壓試驗工況中可以發(fā)現(xiàn)，換熱器膨脹節(jié)下部應(yīng)力可以達到320MPa。筆者認為，管板厚度降低的同時剛度也會明顯縮減，使其對周圍殼體的約束能力下降，在壓力荷載的作用下，殼體和膨脹節(jié)會發(fā)生更大的變形。

2.3 優(yōu)化管板一殼體連接結(jié)構(gòu)

在非對稱管殼式換熱器的管板和殼體的連接位置，存在一個半徑在5mm左右的過渡結(jié)構(gòu)。在換熱器運行過程中，它會發(fā)生較大的幾何變化。所以，應(yīng)力相對較集中。為使此類換熱器滿足強度校核要求，可適當(dāng)?shù)膶Υ诉B接結(jié)構(gòu)進行改進，在保證其厚度的同時，提升半徑，減少其應(yīng)力。在此思路下，筆者對E-2273換熱器進行改進計算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在過渡結(jié)構(gòu)的半徑由原本的5mm提升到10mm的情況下，可以使該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力減少。在此基礎(chǔ)上，在不改變管板厚度的情況下，在管板管程側(cè)設(shè)計臺階，加放法蘭墊片，可以達到較好的改進效果。

2.4 增加筋板數(shù)量

在管板厚度縮減的情況下，通過液壓試驗可以發(fā)現(xiàn)，膨脹節(jié)下部和管板、殼體連接位置的應(yīng)力相對較大。要對此位置的應(yīng)力進行優(yōu)化，除上述措施外，可以通過對兩個連接結(jié)構(gòu)外緣位置的各法蘭螺栓孔分別添置一個筋板。筋板的規(guī)格，如圖1所示。此類筋板要與法蘭和殼體電焊連接，以使筋板在發(fā)揮作用的同時，支撐殼體和法蘭，減少應(yīng)力變形，提升管板剛度。

圖1 添加的筋板規(guī)格簡圖

通過以上改進措施可以發(fā)現(xiàn)，膨脹節(jié)下部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強度從320MPa縮減到290MPa，而管板殼體連接處的應(yīng)力從263.5MPa縮減到192.09MPa，原本不滿足強度要求位置的拉脫力分別提升到13813N、12450N、12377N和14123N，均達到了許用拉脫力條件?？梢姡朔N改進措施有效、可行。

現(xiàn)階段，雖然在改進非對稱管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)使其滿足強度要求方面取得了一定成果，但仍存在諸多難題，如管板溫差強度計算公式的確定、更加復(fù)雜的非對稱管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)分析等。因此，相關(guān)研究仍然任重道遠。

3 結(jié)論

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，非對稱管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)總體、換熱管拉脫力分布等方面均有其特殊性，在現(xiàn)有國家相關(guān)規(guī)范中并不能通過強度校核。所以，要改進結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段，主要通過改進同管板連接、減少管板厚度、優(yōu)化管板一殼體連接結(jié)構(gòu)、增加筋板等方法實現(xiàn)。但是，在各方法應(yīng)用的過程中，必須解決存在的現(xiàn)實問題?？梢姡隧椆ぷ飨到y(tǒng)復(fù)雜，且對專業(yè)性要求極高。

[1]龍雋雅，劉剛，甘長德.小型管殼式換熱器殼側(cè)換熱CFD分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2015，（6）：64-67.

[2]陳孫藝．換熱器有限元分析中值得關(guān)注的非均勻性靜載荷[J].壓力容器，2016，（2）：47-56.

[3]曲曉銳，錢才富.多點約束(MPC)法與換熱器整體有限元分析[J].壓力容器，2013，（2）：54-58.

[4]劉德時，黃英，李春會.非對稱換熱器熱應(yīng)力分析[J]．一重技術(shù)，2014，（3）：58-62.

Structure Analysis and Improvement of Asymmetric Shell-and-Tube Heat Exchanger

ZHANG Shouwei, YU Hongzhou
(Shandong Xuyang Machinery Group Co., Ltd., Linyi 276000)

This paper aims at the asymmetric shell-andtube heat exchanger structure and the improvement of the problem to expand its scope of application and optimize the performance of reference.

asymmetric, shell-and-tube heat exchanger, structure