換熱器折流板間距和換熱管排布形式對管板熱應(yīng)力影響分析

于春柳 任金平 廖武平

摘? ? ? 要：管板作為固定管板式換熱器的關(guān)鍵部件，其熱應(yīng)力是影響換熱器的換熱性能和使用壽命的主要因素。本文通過數(shù)值模擬方法，采用Ansys Workbench軟件對某型號換熱器管板進(jìn)行有限元分析，研究不同折流板間距和換熱管排布形式對應(yīng)的管板的位移場、溫度場和應(yīng)力場分布。結(jié)果表明：折流板間距180 mm時管板上的最大熱應(yīng)力大于折流板間距108 mm和77 mm時管板上的最大熱應(yīng)力;3種管板排布形式的最大等效應(yīng)力從小到大依次為正方形（67.273 MPa）、轉(zhuǎn)正三角形（74.359 MPa）和轉(zhuǎn)正方形（78.136 MPa），在實際的換熱器設(shè)計中可考慮選擇正方形布管方式。通過分析，揭示了折流板間距和換熱管排布形式對管板熱應(yīng)力的影響規(guī)律，為換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供一定理論基礎(chǔ)。

關(guān)? 鍵? 詞：換熱器;管板;折流板間距;換熱管排布形式;熱應(yīng)力

中圖分類號：TQ051.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）11-2574-05

Analysis on the Influence of Baffle Spacing and

Tube Arrangement on Thermal Stress of Tube Sheet in Heat Exchangers

YU Chun-liu， REN Jin-ping， LIAO Wu-ping

（College of Chemistry and Chemical Engineering， Longdong University， Qingyang 745000， China）

Abstract： As one of key parts of fixed tube sheet heat exchanger， thermal stress of tube sheet is the main factor affecting the heat transfer performance and service life of the heat exchanger. In this paper， the finite element analysis of a heat exchangers tube sheet was carried out by means of numerical simulation， so the displacement field， temperature field and stress field distributions of the tube sheet corresponding to different baffle spacing and heat exchange tube arrangement were studied by Ansys Workbench software. The results showed that the maximum thermal stress on the tube sheet was greater when baffle spacing was 180 mm than those when baffle spacing was 108 mm or 77 mm. The order of the maximum equivalent stress of the three types of tube sheet arrangement was square （67.273 MPa）

Key words： Heat exchanger; Tube sheet; Baffle spacing; Heat exchange tube arrangement ; Thermal stress

?固定管板式換熱器作為過程工業(yè)中常見的熱交換設(shè)備，主要由管箱、殼體、管板、換熱管等零部件組成[1]。其中管板是固定管板式換熱器的關(guān)鍵部件，與殼體、換熱管及管箱連接，一方面起排布換熱管的作用，另一方面起分隔流體的作用，將管程和殼程流體分隔開，避免冷、熱流體混合。因此，在工作過程中，管板受力情況較為復(fù)雜，須滿足換熱管和殼體的壓力作用要求，換熱管外壁與殼體內(nèi)壁溫差引起變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的作用力要求，同時也要滿足自身溫度分布不均勻引起的作用力要求[2-3]。在這3種作用力中，換熱管外壁與殼體內(nèi)壁溫差引起變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的作用力和自身溫度分布不均勻引起的作用力情況較為復(fù)雜，但從本質(zhì)上可統(tǒng)一看作是管板的熱應(yīng)力，該熱應(yīng)力會使換熱管與管板的接口脫開，發(fā)生介質(zhì)泄露，很大程度上成為影響換熱器使用壽命的關(guān)鍵因素[4-5]。

固定管板式換熱器工作中，管板的熱應(yīng)力主要受溫差和約束影響。為減小熱應(yīng)力的作用，換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要采用以下3種方法：一是單程換熱器在外殼上設(shè)置膨脹節(jié)，這在一定程度上減小了該熱應(yīng)力，但是對于多程換熱器如果只設(shè)置膨脹節(jié)是不能影響管子的相對移動的[6];二是合理設(shè)計折流板間距，通過改變殼程側(cè)流體的流場，一方面直接使管板上殼程側(cè)溫度場分布發(fā)生變化，另一方面改變換熱器換熱效率，影響管板溫度場，減小熱應(yīng)力的產(chǎn)生，目前研究發(fā)現(xiàn)，折流板間距越大殼程傳熱系數(shù)越小，壓降越小[7-8];三是改變換熱管的排布方式，此時會改變殼程流體的流動狀態(tài)，影響管板上熱應(yīng)力的大小。本文采用數(shù)值模擬的方法，運用Ansys Workbench軟件，對上述第2和第3種方法得到的固定管板式換熱器模型進(jìn)行有限元分析，研究不同折流板間距和換熱管排方式下管板的位移場、溫度場和應(yīng)力場分布規(guī)律，為換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供一定理論基礎(chǔ)。

1? 建立數(shù)值模擬模型

某型號固定管板式換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸見表1。零件部件采用0Cr18Ni9材料，殼程介質(zhì)為液態(tài)甲烷。選擇單弓形折流板，根據(jù)最小折流板間距為殼體直徑1/3～1/2規(guī)定的要求，取4塊折流板間距180 mm、6塊折流板間距108 mm、8塊折流板間距77 mm 3種間距[9]。29根換熱管排布成轉(zhuǎn)正三角形、正方形和轉(zhuǎn)正方形3種形式。

三維模型建立過程中在不影響模擬結(jié)果的前提下對管板、筒體等主要部件做適當(dāng)?shù)暮喕?，忽略個別零部件。由于管板結(jié)構(gòu)具有對稱性，取整體結(jié)構(gòu)的1/2模型進(jìn)行分析。在計算過程中對模型做了以下幾個方面的處理：

1）不考慮材料的各向非同性，忽略對整體影響很小的不確定因素，將模型視為對稱模型，并在分析中施加對稱約束。

2）每根換熱管中的流體流動狀態(tài)基本相同，因此認(rèn)為每根換熱管的軸向溫度分布大致相同。

3）換熱管與管板采用強(qiáng)度脹接方式連接，建立模型時可以認(rèn)為換熱管與管板已達(dá)到接近一體的程度，合理假設(shè)彼此單元是緊密接觸的，不考慮接觸中產(chǎn)生的細(xì)節(jié)問題[10]。

4）兩塊管板均等效為均勻的等厚度帶孔圓平板，忽略其與殼體及換熱管焊接處的變化。

5）不考慮折流板與殼體連接時存在的間隙，認(rèn)為彼此之間緊密貼合在一起，即只有均勻并且細(xì)微的間隙。

6）由于溫度場分析和結(jié)構(gòu)分析中的有限元模型的單元節(jié)點號碼和單元特征都完全相同，因此熱分析的計算結(jié)果可以以載荷的形式導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析中而不發(fā)生錯誤[11]。

2? 物理模型及邊界條件設(shè)定

換熱器殼程內(nèi)是單相流體，流動屬于湍流，在流動過程中質(zhì)點之間相互交換動量、能量這種屬于低雷諾數(shù)且受壁面限制的流體流動符合k-ε模

型[12]。殼程流域及殼程結(jié)構(gòu)均采用歐拉網(wǎng)格描述，其中流動分析采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元、熱分析采用SOLID90單元、結(jié)構(gòu)分析采用SOLID186單元。換熱過程中考慮管板殼程兩側(cè)的溫差和約束是產(chǎn)生熱應(yīng)力的主要因素，故設(shè)置流域與筒體接觸區(qū)域、流域與管板接觸區(qū)域、流域與換熱管外壁面接觸區(qū)域為傳熱壁面，采用耦合傳熱模型進(jìn)行描述。液態(tài)甲烷進(jìn)口溫度為-30 ℃、速度為10 m·s-1;壓力出口處壓力的大小為當(dāng)?shù)卮髿鈮?管程側(cè)管板表面溫度為30 ℃。結(jié)合分析目的和載荷特點，設(shè)定管板管程側(cè)的溫度相同，采用順序耦合法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱流固耦合分析，即先進(jìn)行流動分析，得出殼程側(cè)溫度場分布，再將流動分析中的溫度場加載到管板殼程側(cè)進(jìn)行熱分析，最后結(jié)合結(jié)構(gòu)特點分析管板的熱應(yīng)力[13-14]。

3? 結(jié)果分析與討論

3.1? 折流板間距對管板熱應(yīng)力影響

3.1.1? 位移場

圖1為折流板間距影響的管板位移場分布云圖。由圖1可以看出，隨著間距的減小、折流板數(shù)量的增多，管板最大和最小位移變形量增大，管板上最大熱變形均發(fā)生在中心管孔附近，且呈現(xiàn)由中心向邊緣降低的趨勢，這是由于管板上離中心孔越遠(yuǎn)受到筒體約束越強(qiáng)。圖1（a）可看出，4塊折流板間距180 mm最大位移變形量0.177 4 mm，圖1（b）中6塊折流板間距108 mm最大位移變形量? ? ?0.179 7 mm，圖1（c）中8塊折流板間距77 mm最大位移變形量0.180 3 mm，由此可見改變折流板間距或者增減折流板數(shù)量對管板最大位移變形量有影響，但不是很明顯。

3.1.2? 溫度場

圖2為折流板間距影響的管板溫度場分布云圖。由圖2可以看出，管板最高溫度發(fā)生在管板與筒體連接處附近，管板最低溫度發(fā)生在中心管孔左下方管孔區(qū)域。由圖2（a）可看出，4塊折流板間距? ? 180 mm時溫度最高10.045 ℃、最低-9.322 ℃;由圖2（b）可看出，6塊折流板間距108 mm時溫度最高10.854 ℃、最低-7.112 ℃;由圖2（c）可看出，8塊折流板間距77 mm時溫度最高10.722 ℃、最低-7.361 ℃。由此可見改變折流板間距或者增減折流板數(shù)量對管板溫度場分布影響不大。

3.1.3? 應(yīng)力場

圖3為折流板間距影響的管板應(yīng)力場分布云圖。管板最大等效應(yīng)力均發(fā)生在中心管孔左下方管孔區(qū)域，固定管板式換熱器在設(shè)置折流板后，低溫液態(tài)甲烷經(jīng)進(jìn)口接管進(jìn)入殼程，由于折流板的作用流體多次橫向沖刷管束，不同的折流板間距造成管板變形量、管板殼程側(cè)溫度分布不同;在兩者的共同作用下，管板上產(chǎn)生的熱應(yīng)力不同。

由圖3（a）可看出，4塊折流板間距180 mm時管板最大等效熱應(yīng)力81.895 MPa;由圖3（b）可看出，6塊折流板間距10 8mm時管板最大等效應(yīng)力63.545 MPa;由圖3（c）可看出，8塊折流板間距77 mm時管板的最大等效應(yīng)力63.818 MPa。3種不同折流板間距中，當(dāng)折流板間距為180 mm時管板上的最大熱應(yīng)力大于另外兩種情況。

3.2? 換熱管排布方式對管板熱應(yīng)力影響

6塊折流板間距108 mm的換熱器換熱管選用轉(zhuǎn)正三角形、正方形和轉(zhuǎn)正方形3種排布方式，對管板分別進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.2.1? 位移場

圖4為排布方式影響的管板位移場分布云圖。當(dāng)換熱管的排布為轉(zhuǎn)正三角形設(shè)計時，管板上的最大變形量為0.175 9 mm，大于其他兩種排布方式，最大變形發(fā)生在中心換熱管管孔附近，且呈現(xiàn)由中心向邊緣降低的趨勢，最大變形發(fā)生位置與不同折流板間距的分析結(jié)果不同。轉(zhuǎn)正三角形和正方形布管的管板最大變形發(fā)生在中心管孔附近，轉(zhuǎn)正方形布管的管板的最大變形發(fā)生在管板邊緣處。

3.2.2? 溫度場

圖5為排布方式影響的管板溫度場分布云圖。當(dāng)換熱器的換熱管為正方形排布式時，其管板殼程側(cè)最大溫度為10.949 ℃，發(fā)生在管板靠近殼體的布管區(qū)域邊緣附近，此處溫度值與其他兩種情況相比較大;最小溫度為-5.6176 ℃，位于中心換熱管管孔附近。3種排布方式的管板溫度分布均是中心低，邊緣高，從中心向邊緣呈現(xiàn)增加趨勢。

3.2.3? 應(yīng)力場

圖6為排布方式影響的管板應(yīng)力場分布云圖。由圖6可以看出，管板的最大等效應(yīng)力從小到大依次為正方形、轉(zhuǎn)正三角形和轉(zhuǎn)正方形排布，最大等效應(yīng)力分別為67.273、74.359、78.136 MPa。最大應(yīng)力均發(fā)生在管孔區(qū)域，說明管板應(yīng)力受換熱管溫度和約束的影響要比管板受殼體溫度和約束的影響嚴(yán)重。在實際的換熱器設(shè)計中，為了減小熱應(yīng)力，可以考慮選擇正方形布管方式。

4? 結(jié) 論

管板作為換熱器的關(guān)鍵部件，一方面起排布換熱管的作用，另一方面起分隔流體的作用，其熱應(yīng)力對換熱器的換熱性能及使用壽命具有一定的影響。本文采用Ansys Workbench軟件，對某型號換熱器不同折流板間距和換熱管排布方式對管板熱應(yīng)力影響進(jìn)行有限元分析，研究管板的溫度場、應(yīng)力場和位移場分布。

改變折流板間距或者增減折流板數(shù)量對管板位移場和溫度場分布有影響，但不是很明顯。4塊折流板間距180 mm時管板上的最大熱應(yīng)力大于另外兩種情況，最大等效熱應(yīng)力81.895 MPa。6塊折流板間距108 mm的換熱器當(dāng)換熱管的排布為轉(zhuǎn)正三角形設(shè)計時，最大變形量為0.175 9 mm，大于正方形和轉(zhuǎn)正方形排布形式，最大變形發(fā)生在中心換熱管管孔附近，由中心向邊緣降低;3種排布方式的管板溫度分布均是中心低，邊緣高，從中心向邊緣呈現(xiàn)增加趨勢;最大應(yīng)力均發(fā)生在管孔區(qū)域，管板應(yīng)力受換熱管溫度和約束的影響要比管板受殼體溫度和約束的影響嚴(yán)重。在實際的換熱器設(shè)計中，可以考慮選擇最優(yōu)折流板間距和正方形布管方式。

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