冷水機(jī)組換熱器水室設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析

牛海峰，倪佩佩

(英格索蘭亞太工程技術(shù)中心，上海 200051)

0 引言

水室作為連接管道和換熱器之間的重要組成部分，是引導(dǎo)載冷劑進(jìn)入和離開，分布高效管流程的部件。水室的外形和結(jié)構(gòu)主要取決于管支撐板的外形、載冷劑側(cè)設(shè)計(jì)壓力、載冷劑側(cè)的流程數(shù)等因素。目前，水室主要有楔形水室、半圓柱水室、弧形水室等[1]。合理的水室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠確保進(jìn)入換熱器的各個(gè)回程之間流量均勻，流速穩(wěn)定。

對(duì)于冷水機(jī)組而言，由于受到空間的限制，換熱器水室本體通常采用橢圓封頭的形式，主要有焊接和鑄造兩種工藝方法。鑄造是比較經(jīng)濟(jì)的毛坯成形方法，對(duì)于形狀復(fù)雜的零件更能體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性，但鑄件的晶粒粗大，力學(xué)性能差。焊接水室生產(chǎn)周期短、質(zhì)量輕、所需設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、修改模型快速，且相對(duì)鑄造水室而言成本較低。下面分別對(duì)焊接水室進(jìn)行設(shè)計(jì)以及應(yīng)力分析，確保能夠滿足一定壓力下的強(qiáng)度要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)換熱器內(nèi)管束的排布情況，水室一般分為兩回程、三回程、四回程水室，如圖1所示。其中進(jìn)水的一側(cè)為進(jìn)水室，另一側(cè)則為回水室。兩回程水室的優(yōu)點(diǎn)在于水壓降小、對(duì)水的阻力要求較低，從而對(duì)水泵的要求比較低，缺點(diǎn)是機(jī)組的換熱效率不高；四回程水室的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提高機(jī)組的換熱效率，使載冷劑在換熱器內(nèi)快速流動(dòng)，缺點(diǎn)是水的壓降比較大；三回程水室的優(yōu)缺點(diǎn)則介于兩回程和四回程之間。

圖1 不同回程的水室

為了提高冷水機(jī)組的換熱效率，以四流程蒸發(fā)器焊接水室為例，其主要由水室法蘭、封頭、擋板等零件組成，如圖2所示。根據(jù)水室能夠承受的壓力以及管板的外形，水室的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括：封頭的內(nèi)外徑和壁厚，接管的內(nèi)外徑、壁厚和高度，法蘭的內(nèi)外徑和高度，擋板的厚度等設(shè)計(jì)參數(shù)。材料的選用如表1所示。

表1 水室材料參數(shù)

對(duì)于擋板與封頭、水室法蘭與封頭、接管與封頭、吊耳與封頭、接頭與接管、接管法蘭與接管之間的焊接采用氣保焊，不同的焊接部位采用不同的焊高與焊距。為了減小熱應(yīng)力和降低殘余應(yīng)力值，焊接擋板和封頭時(shí)要對(duì)稱焊接，防止熱應(yīng)力過大而變形。水室組件焊接后應(yīng)進(jìn)行熱處理，水室法蘭的端面，O型槽圈、螺栓孔、隔板密封面及隔板上的半圓孔應(yīng)在熱處理后進(jìn)行精加工處理。由于水室是壓力容器，加工制造完成之后需要進(jìn)行水壓測(cè)試，確保水室各零件無異常變形和泄漏。

圖2 四流程蒸發(fā)器焊接水室

2 模型分析

水室作為壓力容器而言，需要根據(jù)JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，采用有限元方法對(duì)水室進(jìn)行應(yīng)力分析及強(qiáng)度評(píng)定。設(shè)計(jì)壓力為300 psi(2.068 MPa)，設(shè)計(jì)溫度50 ℃。

2.1 邊界條件和載荷

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格數(shù)目的多少會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度產(chǎn)生較大的影響。對(duì)結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的水室進(jìn)行四面體網(wǎng)格的劃分，并控制網(wǎng)格尺寸，使得在受壓零件的厚度方向上至少包含兩個(gè)單元。網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分模型

2.3 應(yīng)力強(qiáng)度判定

為了使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各類應(yīng)力強(qiáng)度不超過材料規(guī)定的許用極限，根據(jù)JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)水室進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度的計(jì)算。對(duì)于每組3個(gè)主應(yīng)力，分別計(jì)算主應(yīng)力差：S12=σ1-σ2；S23=σ2-σ3；S31=σ3-σ1，在每組中取絕對(duì)值最大的作為該組的應(yīng)力強(qiáng)度，即應(yīng)力強(qiáng)度：S=Max{|S12|,|S23|,|S31|}。由此可以得到：

一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SI的許用極限為Sm；

一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SII的許用極限為1.5Sm；

一次薄膜(總體或局部)加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SIII的許用極限為1.5Sm；

一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SIV的許用極限為3Sm。

其中，Sm為材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度[3]。

2.4 進(jìn)水室強(qiáng)度安全校核

圖4為進(jìn)水室封頭的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出封頭的最大應(yīng)力強(qiáng)度為129.5MPa，其值小于該部位的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限1.5Sm=1.5×170=255MPa，無需對(duì)該部位進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格。

圖4 進(jìn)水室封頭應(yīng)力云圖

圖5為進(jìn)水室法蘭的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力強(qiáng)度101.5MPa，其值小于該部位的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限1.5Sm=1.5×160=240MPa。無需對(duì)該部位進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格。

圖5 進(jìn)水室法蘭應(yīng)力云圖

圖6為進(jìn)水室接管a的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力強(qiáng)度為108.4 MPa，其值小于該部位的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限1.5Sm=1.5×135=202.5MPa，無需對(duì)該部位進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格。

圖7為進(jìn)水室接管b的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力強(qiáng)度為107.2 MPa，其值小于該部位的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限1.5Sm=1.5×135=202.5MPa，無需對(duì)該部位進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格。

圖6 進(jìn)水室接管a應(yīng)力云圖

圖7 進(jìn)水室接管b應(yīng)力云圖

圖8為進(jìn)水室擋板a應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力強(qiáng)度107.4MPa，其值小于該部位的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限1.5Sm=1.5×113=169.5MPa。無需對(duì)該部位進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格。

圖9為進(jìn)水室擋板b應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力強(qiáng)度110.4MPa，其值小于該部位的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限1.5Sm=1.5×113=169.5MPa。無需對(duì)該部位進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格。

圖8 進(jìn)水室擋板a應(yīng)力云圖

圖9 進(jìn)水室擋板b應(yīng)力云圖

2.5 回水室強(qiáng)度安全校核

圖10為回水室封頭的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力強(qiáng)度為159.2MPa，其值小于該部位的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限1.5Sm=1.5×170=255MPa，無需對(duì)該部位進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格。

圖11為回水室法蘭的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力強(qiáng)度104.4MPa，其值小于該部位的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限1.5Sm=1.5×160=240MPa。無需對(duì)該部位進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格。

圖10 回水室封頭應(yīng)力云圖

圖11 回水室法蘭應(yīng)力云圖

圖12為回水室擋板應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力強(qiáng)度130.4MPa，其值小于該部位的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限1.5Sm=1.5×113=169.5MPa。無需對(duì)該部位進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格。

圖12 回水室擋板應(yīng)力云圖

3 結(jié)語

通過Creo軟件建立冷水機(jī)組蒸發(fā)器水室的三維模型，并利用軟件接口將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 17.0中進(jìn)行強(qiáng)度的校核。結(jié)果表明:四流程焊接水室各受壓部件滿足應(yīng)力強(qiáng)度的要求，評(píng)定結(jié)果合格，從而為冷水機(jī)組換熱器水室的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

從有限元分析結(jié)果可知，進(jìn)水室和回水室的設(shè)計(jì)厚度均有一定的設(shè)計(jì)裕量。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度而言，仍有一定的優(yōu)化空間以節(jié)省成本。

對(duì)進(jìn)水室各零部件的厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并綜合考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的選型、工藝、加工、腐蝕和密封等要求，當(dāng)封頭、法蘭、接管以及擋板厚度尺寸為初始設(shè)計(jì)的80%、88%、80%和75%時(shí)，各零部件的應(yīng)力強(qiáng)度分別為：191.3MPa、145.8MPa、151.8MPa和156.9MPa。各受壓部件滿足應(yīng)力強(qiáng)度的要求。

對(duì)回水室的各零部件的厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并綜合考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的選型、工藝、加工、腐蝕和密封等要求，當(dāng)封頭、法蘭以及擋板厚度尺寸為初始設(shè)計(jì)的90%、93%和88%時(shí)，各零部件的應(yīng)力強(qiáng)度分別為：196.7MPa、 127.0MPa和154.6MPa。各受壓部件滿足應(yīng)力強(qiáng)度的要求。