換熱管對管殼式換熱器應(yīng)力分布的影響

王戰(zhàn)輝,張智芳,馬向榮

(1.榆林學院化學與化工學院,陜西 榆林 719000;2.陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點實驗室,陜西 榆林 719000)

隨著科技的發(fā)展以及生產(chǎn)生活節(jié)奏的逐漸加快,在化學化工行業(yè)生產(chǎn)過程中,由于工藝的需要,很多設(shè)備都需要進行各種不同的換熱過程,如加熱、冷卻等。因此迫切需要大量的換熱設(shè)備來實現(xiàn)熱量的傳遞,而換熱器就是用來實現(xiàn)熱量傳遞的專用化工設(shè)備,經(jīng)常被加入各種工藝流程中,例如精餾塔底部的再沸器等,通過換熱器可以使目標換熱介質(zhì)完成必要的熱量交換,從而實現(xiàn)溫度的升高或者降低[1]?？偠灾?換熱器在化工生產(chǎn)過程中已成為必不可少的一環(huán),它既能使熱能利用率提高,還能高效地提高生產(chǎn)經(jīng)濟效益,因此社會對其需求量日益增加[2]。在眾多換熱設(shè)備當中,固定管板式換熱器由于其綜合性能高,應(yīng)用最為廣泛。

固定管板式換熱器一般由換熱管、殼體、管板、管箱、折流板、支座和開孔接管等構(gòu)件組成。殼體出于制造角度,大多設(shè)置成圓筒形,換熱管位于殼體內(nèi)部,是換熱的主要元件,也是換熱器的中樞所在,其主要承擔的就是交換殼程流體與管程流體溫度的作用,換熱管兩端用管板脹接或焊接固定,需要進行換熱的是2種溫度不同的流體(熱流體和冷流體),在換熱管、管箱內(nèi)流動的流體稱為管程流體,在換熱管與殼體之間流動的流體稱為殼程流體[3]。

管板是換熱器最重要的零部件之一,通常設(shè)置在換熱管左右兩端,首先起支撐和固定換熱管的作用,同時還將管程流體與殼程流體分離,避免了冷熱流體的直接接觸,而且還同時承受管程壓力和殼程壓力,在換熱器的承壓能力中起著舉足輕重的作用。管板作為固定管板式換熱器內(nèi)部十分重要的一個承壓元件,在正常工作過程中受到的應(yīng)力情況復雜無比,除了承受管程壓力、殼程壓力、螺栓載荷、換熱管的支撐作用、管板過渡段結(jié)構(gòu)、管板結(jié)構(gòu)的對稱性和非對稱性外,還要承受管程流體和殼程流體因為溫度不同而引起的溫差應(yīng)力,因此,管板的承壓能力對換熱器的正常運行至關(guān)重要[4]。由于管板的特殊性,在選擇管板材料時,除了滿足力學指標之外,還要考慮管程流體以及殼程流體對其的腐蝕,以及管板和換熱器間電位差對腐蝕產(chǎn)生的影響。管板在運行過程中會產(chǎn)生7種工況:管程與殼程同時開的瞬間、正常操作的穩(wěn)態(tài)工況、管程先開的瞬間、殼程先開的瞬間、管程與殼程同時停的瞬間、殼程先停的瞬間、管程先停的瞬間,每種工況受力情況均不一樣,國內(nèi)外學者主要通過改變換熱器結(jié)構(gòu)物性參數(shù)和應(yīng)用場合,針對這7種工況進行了大量研究,但是針對換熱管對管殼式換熱器應(yīng)力分布影響的研究還較少[5-7]。因此,研究利用ANSYS有限元分析軟件,以管程殼程正常運行工況為對象,改變換熱管曲率半徑、換熱管厚度、換熱管布管方式和換熱管幾何形狀,考察其內(nèi)部應(yīng)力分布情況,所得結(jié)論為管殼式換熱器的正常運行提供一定的參考。

1 模型的選取與建立

為了利于ANSYS有限元計算過程,對模型進行簡化,只考慮管板、換熱管和殼體3個構(gòu)件,管箱及其焊接部分予以忽略,不考慮焊接應(yīng)力、螺栓載荷;換熱管與管板采用脹接連接,管束支撐力與其他載荷相比,影響效果可以忽略不計;忽略管板與殼體之間的縫隙;換熱管采用正方形排列[8]。

1.1 管板的幾何尺寸及其物理性能參數(shù)

1.2 邊界條件和載荷

管程壓力Pt為0.8 MPa,殼程壓力Ps為5 MPa,管程流體溫度t為220 ℃,殼程流體溫度T為150 ℃。鑒于管板結(jié)構(gòu)的軸對稱性,約束其對稱面軸向位移,在換熱管內(nèi)部施加管程壓力Pt,在換熱管外部殼體上施加殼程壓力Ps,除此之外,由于管板兩端流體存在溫差,所以不能忽視溫差應(yīng)力的影響,而風載荷、地震載荷、外載荷與管程壓力Pt、殼程壓力Ps與溫差應(yīng)力相比,可以忽略不計[9]。

圖1 管板三維幾何模型

2 有限元分析結(jié)果

2.1 等效應(yīng)力云圖

在傳統(tǒng)的化工生產(chǎn)中,換熱器運行時存在多種操作工況,其中以正常操作的穩(wěn)態(tài)工況最為典型,受力情況最復雜,同時也是換熱器工作時持續(xù)時間最長的一種工況,最值得研究,此時管程壓力Pt、殼程壓力Ps、溫度載荷共同作用。因此,選擇探究處于正常工況下管板的應(yīng)力分布規(guī)律,從而得到其應(yīng)力云圖。

由于在ANSYS軟件中,熱分析模塊與靜力分析模塊是分開的,所以,溫度載荷需要在熱分析模塊之中建立好之后導入到靜力學分析模塊中去,同時也要把在熱分析模塊中得到的結(jié)果作為溫度載荷導入到靜力學分析中去,然后再施加約束、管程壓力Pt與殼程壓力Ps。熱分析模塊得到的溫度分布云圖如圖2所示,由圖2可知,管板主體溫度接近管程溫度t,在與殼程相連接的較小區(qū)域,溫度接近殼程溫度T,這種現(xiàn)象又稱為表皮現(xiàn)象[10]。

圖2 溫度分布云圖

將溫度載荷、位移約束、管程壓力Pt、殼程壓力Ps同時作用于換熱器即得到等效應(yīng)力云圖,如圖3所示。

圖3 正常運行工況下等效應(yīng)力分布云圖

由圖3可知,最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在換熱管與管板的連接處和管板與殼體的連接處,這是由于換熱管與管板的連接處和管板與殼體的連接處都是幾何形狀不連續(xù)處,由力學平衡可知,幾何不連續(xù)會產(chǎn)生由邊緣力和邊緣力矩引起的不連續(xù)應(yīng)力,不連續(xù)應(yīng)力的特點為局部性和自限性,而且數(shù)值比薄膜應(yīng)力要大得多,因此,在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處,除了承受由管程壓力Pt、殼程壓力Ps引起的薄膜應(yīng)力外,還要承受不連續(xù)應(yīng)力,因此,應(yīng)力最大。遠離換熱管與管板的連接處和管板與殼體的連接處都是幾何形狀不連續(xù)處,基本不受薄膜應(yīng)力的影響,只受管程壓力Pt、殼程壓力Ps引起的薄膜應(yīng)力,薄膜應(yīng)力的特點為沿壁厚均勻分布,因此,管程和殼程主體應(yīng)力分布均勻,而且殼程薄膜應(yīng)力要高于管程薄膜應(yīng)力[11]。

2.2 換熱管曲率半徑改變對最大等效應(yīng)力的影響

保持換熱管厚度4 mm,形狀為圓形,正方形排列不變,改變換熱管曲率半徑,分別取15 mm、16 mm、17 mm、18 mm、19 mm,考查換熱管曲率半徑對最大等效應(yīng)力的影響,變化曲線如圖4所示。

圖4 改變換熱管曲率半徑時最大應(yīng)力變化曲線

由圖4可知,隨著換熱管曲率半徑的增大,最大等效應(yīng)力呈減小的趨勢,并出現(xiàn)臨界值17 mm,換熱管曲率半徑<17 mm時,隨著曲率半徑的增大,最大等效應(yīng)力減小幅度大;當曲率半徑>17 mm時,隨著曲率半徑的增大,最大等效應(yīng)力基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于換熱管曲率半徑增大,管程流體流通面積增大,管程流體與換熱管充分換熱,因此,管板兩側(cè)溫差減小,溫差應(yīng)力減小,在管程壓力和殼程壓力維持不變的情況下,最大等效應(yīng)力呈減小的趨勢;當曲率半徑>17 mm時,管板兩側(cè)溫差維持不變,因此,最大等效應(yīng)力基本維持不變。

2.3 換熱管厚度改變對最大等效應(yīng)力的影響

保持換熱管外半徑為18 mm,形狀為圓形,正方形排列不變,改變換熱管厚度,分別取1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm,考查換熱管厚度改變對最大等效應(yīng)力的影響,變化曲線如圖5所示。

圖5 改變換熱管厚度時最大應(yīng)力變化曲線

由圖5可知,隨著換熱管厚度的增大,最大等效應(yīng)力呈減小的趨勢。這是由于換熱管厚度增加,力學性能增強,因此,最大等效應(yīng)力呈減小的趨勢。

2.4 換熱管布管方式改變對最大等效應(yīng)力的影響

保持換熱管厚度4 mm,形狀為圓形,換熱管外半徑為18 mm不變,改變換熱管排布方式,分別采用正方形排列和正三角形排列,考查換熱管布管方式改變對最大等效應(yīng)力的影響,不同排布方式的最大應(yīng)力如圖6所示。由圖6可知,正三角形布管方式比正方形布管方式最大等效應(yīng)力大。

2.5 換熱管幾何形狀改變對最大等效應(yīng)力的影響

保持換熱管厚度為4 mm,正方形排列,換熱管外半徑為18 mm不變,改變換熱管形狀,分別采用圓形和橢圓形,考查換熱管形狀改變對最大等效應(yīng)力的影響,不同換熱管形狀的最大應(yīng)力如圖7所示。由圖7可知,換熱管為橢圓形時最大等效應(yīng)力大。

圖6 改變換熱管排布方式時最大應(yīng)力柱狀圖

圖7 改變換熱管形狀時最大應(yīng)力柱狀圖

3 結(jié)論

(1) 管板主體溫度接近管程溫度,在與殼程相連接的較小區(qū)域,溫度接近殼程溫度,出現(xiàn)表皮現(xiàn)象。

(2) 最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在換熱管與管板的連接處和管板與殼體的連接處。

(3) 隨著換熱管曲率半徑和厚度的增大,最大等效應(yīng)力呈減小的趨勢,正三角形布管方式比正方形布管方式最大等效應(yīng)力大,橢圓形換熱管比圓形換熱管最大等效應(yīng)力大。