（化工过程机械专业论文）斜锥壳管壳式换热器的有限元分析及应力评定.pdf

摘要 斜锥壳管壳式换热器的有限元分析及应力评定 摘要 本文应用a n s y s 有限元分析软件 建立了某斜锥壳管壳式换热器的 三维有限元模型 并对其进行了有限元分析 本课题主要做了以下研究工作 首先 在分析换热器几何结构和工 艺条件的基础上 建立了换热器的几何模型和有限元模型 考虑到结构 的复杂性 建立模型时对管板进行了符合规范要求的简化 其次 根据 工艺条件 对换热器整体及换热管进行了传热计算 得到了换热器的整 体温度场 第三 进行了换热器在管程压力 壳程压力 温度载荷及其 组合载荷的作用下的强度计算 得到了各种工况下的整体和各局部的应 力强度 同时 建立了操作工况 紧急工况 碱洗工况下的载荷条件并 进行了应力强度计算 第四 根据有限元的计算结果 依据j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器一分析设计标准 对换热器整体和各主要部件进行了 应力评定 最后 对该换热器进行了疲劳寿命校核 计算分析表明 该换热器管板 筒体 斜锥壳及其连接满足强度要 求 换热器整体及各部件在设计年限内亦可满足疲劳强度要求 该设备 安全 本文的分析计算结果对此类大型换热器的国产化设计提供了一定 的计算依据 北京化工人学硕士论文 关键词 斜锥壳 管壳式换热器 有限元分析 f e a 温度场 f i n i t ee l e m e n ta n a iy s i sa n ds t r e s s e v a l u a t i o no fah e a te x c h a n g e rw i t ht i l r e d c o n i c a ls h e l la n dt u b e s a b s t r a c t i nt h i st h e s i s at h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fah e a t e x c h a n g e rw i t ht i l t e dc o n i c a ls h e l la n dt u b e si sb u i l tb ya n s y ss o f 呐a r e a n dt h e nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h ee q u i p m e n ta r es t u d i e db yt h e m o d e l i nt h i st h e s i s r e s e a r c hw o r k sa r ed o n ea sf o l l o w s f i r s t g e o m e t r i cm o d e la n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e la r eb u i l t w h i c hb a s e do nt h a td i m e n s i o n sa n dp r o c e s s i n go ft h ee q u i p m e n ta r es t u d i e d a n di t sc o m p l e x i t yc o n s i d e r e d s e c o n d l y w i t ha c c o r d i n gt op i o c e s s i n gc o n d i t i o n c o n d u c t i o nh e a ti s c a l c u l a t e df o rt h ee n t i r eh e a te x c h a n g e ra n dt h ew h o l et e m p e r a t u r ef i e l di n t h ee q u i p m e n ti so b t a i n e d t h i r d l y t h es t r e n g t ho ft h eh e a te x c h a n g e ri sa n a l y z e db yt h e 筋i t e e l e m e n tm o d e lu n d e rv a r i o u so fc o m b i n e dl o a d s 丘o mp r e s s u r ei nt h et u b e s h e ua n dt e m p e r a t l l r ec h a n g i n g a n dt h e ns t r e s si n t e n s i t yu n d e rt h ev a r i o u s o fc a s e sa n dl o c a t i o na r eg o t t o n m e a n w h i l e t h el o a d i n gc o n d i t i o nf o r o p e r a t i n g e m e 唱e n c ya n d c a u s t i cw a s h i n gc o n d i t i o n sa r eb u i l t n i 北京化丁大学硕 j 论文 f o u r t h l y w i t ha c c o r d i n gt ot h ej b 4 7 3 2 1 9 9 5 s t e e lp r e s s u r ev e s s e l s d e s i g nb ya n a l y s i s s t r e s s e si nr e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa r e a s s e s s e d f i n a l l y t h el i f e i nf a t i g u ef o rt h eh e a te x c h a n g e ri sv e r i f i e da n d c h e c k e d t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ew h o l em o d e la n di t se l e m e n t so ft h e h e a te x c h a n g e rm e e tt h es t r e n g t hr e q u i r e m e n t a n da l s od of a t i g u es t r e n g t h w i t h i nl i f eo fd e s i g n s ot h ed e s i g no ft h ee q u i p m e n ti s s a f e i h i sa n a l y s i sr e s u l t sc a nb eu s e da su s e f u lr e f e r e n c ed a t at od e s i g nt h i s k i i l do 仆e a te x c h a n g e ri nc h i n a k e y w o i 之d s t i l t e dc o n i c a ls h e u s h e l la n dt u b e h e a te x c h a n g e r f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s f e a t e m p e r a t u r ef i e l d 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者签名 主逸盘日期 o 倦多 蕊 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全 部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇编 学位论文 保密论文注释 本学位论文属于保密范围 在上年解密后适用 本授权书 非保密论文注释 本学位论文不属于保密范围 适用本授 权书 作者签名 狴日期 型里叁主 呈窭 导师签名 蓼1 1 日期 上堡互 兰生一 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于中国纺织工业设计院 研究内容是对济南化工新材料有限公司年 产6 0 万吨精对苯二甲酸 p t a 工程中使用的氧化第三冷凝器进行有限元计算和应 力分析 以验证在设计及操作工况下该冷凝器整体 管板及大开孔在承受多种载荷 以及它们的危险组合工况下的强度 并依据j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器一分析设 计标准 通过合理有效的简化假设 对该设备进行强度校核以及疲劳寿命校核 1 2 论文选题的目的及意义 石化工业是国民经济的支柱产业之一 精对苯二甲酸 咒a 是其中一个重要的环 节 作为聚合物的主要原料 咒a 下游产品主要可分为纤维级聚酯和瓶级聚酯 分 别用于生产各类织物和包装容器 是人们日常生活中不可缺少的 关系到国计民生 的重要物资 我国发展p t a 产业起步相对较晚 随着国民经济的快速发展 p t a 产 业得到了空前的发展 已成为全球范围内一个重要的生产和消费大国 同时也是最 主要的p t a 进口国 即使是保持全年1 0 0 开车率 目前我国p 1 a 自给率也仅4 3 6 左右 国内供应存在巨大的缺口l 上世纪9 0 年代起 我国聚酯产业发展十分迅猛 随着国内聚酯生产能力和需求 的不断扩大 我国聚酯聚合物的产量也同步上升 而p t a 生产能力的增长与聚酯装 置的扩大速度却无法保持同步 国内p t a 严重短缺 在目前这种形势下 为了打破 国外大公司在聚酯原料领域的技术垄断 降低聚酯行业的投资成本和生产成本 加 快行业发展 提高市场竞争力 我国必须要开发大型p t a 装置国产化成套技术 i z j 氧化尾气冷凝器是p t a 装置中的关键设备之一 为卧式蒸发釜式换热器 属于 管壳式换热器 本课题研究的氧化第三冷凝器结构复杂 尺寸较大 承受多种载荷 用一般的常规设计方法比较困难 故采用有限元法进行应力分析设计和强度校核 本课题对实现此类大型换热器的国产化设计及计算提供了一定的计算依据 1 3 课题历史 现状和前沿发展情况 换热器是石油化工装置的重要组成部分 是化工 炼油 动力 食品 轻工 北京化t 大学硕士论文 原子能 制药 机械和其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备 因此对换热设 备的研究倍受重视 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备 又称热交 换器 在工业生产中 常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却 把液体汽化 成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体 这些过程均和热量传递有着密切联系 因而均可以 通过换热器来完成 管壳式换热器是目前应用最广泛的一种换热器 它不仅单位体积具有较大的传 热面积 而且传热效果也较好 由于其具有使用广泛 结构简单 制造方便 造价 低等特点 最受关注 对于换热器的设计应依据各种标准进行 下面对目前国际上 几个主要设计标准进行简要介绍 1 3 1 国外规范标准简介 目前 全世界的压力容器行业 主要包括以美国a s m e 一1 2 3 为代表的 a s m e 体系 包括j i s 标准和我国标准 基本上都采用a s m e 体系 和欧盟的e n l 3 4 4 5 体系 包括p d5 5 0 0 c o d a p a d 等 例 1 3 1 1 欧盟及欧盟国家压力容器法规标准体系 随着欧洲统一市场的建立和欧元的使用 为促进承压设备在欧盟成员国内的自 由贸易 尽可能在最广泛的工业领域内实施统一的产品技术法规 欧盟于1 9 9 7 年通 过了9 7 2 3 e c 承压设备法规 简称p e d p e d 适用于压力 表压 超过0 0 5 m p a 的压力容器 包括非直接接触火焰加热压力容器和直接接触火焰加热压力容器 管 道 安全附件 安全阀 爆破片等 承压附件 阀门等 呼吸用气瓶 高压锅 手提式灭火器等承压设备 2 0 0 2 年3 月为欧盟成员国正式表决通过了修改后的标准 e n l 3 4 4 5 1 4 1 3 1 2 美国压力容器法规标准体系 美国是世界上最早制定压力容器规范的国家 1 9 1 1 年 美国机械工程师学会 a s m e 成立锅炉和压力容器委员会 负责制定和解释锅炉和压力容器设计 制 造规范 1 9 1 5 年春出现了世界上第一部压力容器规范 目前 a s m e 规范共有十一 卷 这些标准包括材料 设计 制造与检验试验 使用维护j 定期检验 修理改造 制造单位和检验机构审查认证 检验人员资格认可等诸多方面 a s m e 规范中与压力容器设计有关的主要是第 篇 压力容器 和第x 篇 玻 璃纤维增强塑料压力容器 第 篇又分为3 个分篇 第1 分篇 压力容器 第2 分篇 压力容器一另一规则 和第3 分篇 高压容器另一规则 a s m e 一1 为常 规设计标准 适用压力小于等于2 0 m p a 它以弹性失效设计准则为依据 a s m e 一2 为分析设计标准 它要求对压力容器各区域的应力进行详细地分析 并根据应 力对容器失效的危害程度进行应力分类 再按不同的设计准则分别予以限制 1 5 j 2 第一章绪论 1 3 2 国内规范标准介绍 我国压力容器行业从2 0 世纪6 0 年代初开始制定较为完整的压力容器设计规范 为编制压力容器的国家标准 1 9 8 4 年7 月成立了 全国压力容器标准化技术委员会 以下简称容标委 容标委于1 9 8 9 年颁布了第一版的国家标准 即g b l 5 0 一1 9 8 9 钢制压力容器 1 9 9 8 年颁布了第一次全面修改后的新版g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压 力容器 与此同时 容标委在g b l 5 0 的基础上又先后制定了g b l 5 1 1 9 9 9 管 壳式换热器 j b 4 7 3 2 一1 9 9 5 钢制压力容器一分析设计标准 等一系列国家标准 和行业标准 g b l 5 0 一1 9 9 8 钢制压力容器 是中国的第一部压力容器国家标准 其基本思 路与a s m e 一1 相同 属常规设计 j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器一分析设计标 准 是分析设计标准 基本思路与a s m e 一2 相同 本论文即依据j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器一分析设计标准 进行分析的 1 3 3 前人的研究成果 1 3 3 1 分析设计的进展 多年实践发现 容器出现的一些事故用常规设计很难进行解释 而常规设计在 设计中又确实存在许多不足之处 如 1 工程结构中的应力分布大多数是不均匀 的 对于几何或载荷不连续处 如 开孔接管 按精确的弹性理论或有限元法所算 得的应力集中系数往往可达到3 1 0 此时若按最大应力点进入塑性状态就算失效 那么这种设计就显得过于保守了 因为结构尚有很大的承载潜力 若不考虑应力集 中 只按简化公式的平均应力进行计算又不安全 应力集中区将可能出现裂纹 进 而会导致失效 2 对具有热应力的容器 要把热应力控制在传统规范允许的水平 之下 有时是做不到的 在高温 高压的容器中 热应力与内压应力之和往往超过 传统的许用应力值 无论加厚或减薄壁厚均不能满足传统标准规范的要求 因为两 者对壁厚大小的要求是相反的 3 在实际运行的容器中 有许多是承受交变载荷 的 出现疲劳裂纹是实际结构的一种破坏形式 因此 除在结构型式与材料方面采 取相应的措施外 还必须从设计观点和设计方法上加以改进 6 l 随着科学技术的进步 这种改变已成为可能 分析设计不同于常规设计 它需 要以详尽的应力分析报告为设计依据 以严格的选材与工艺质量检验为保证 还需 要近代的分析计算工具及实验技术为手段 将应力进行分类是分析设计与常规设计 的一大区别 b f i 锄g e r 首先提出应力分类的概念 认为一旦设计者能对压力容器的应 3 北京化工大学硕 土二论文 力分布进行具体分析 就可以放弃采用同一许用应力极限的做法 继而根据应力在 结构中发生的具体部位 分布情况及应力产生的原因分别确定许用应力极限 分析 设计的发展也是建立在数值分析方法 弹塑性理论 板壳理论 测试技术的发展以 及电脑广泛应用的基础之上的 1 7 j 8 j 一 1 3 3 2 有限元数值分析简介 有限单元法 或称有限元法 是当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算方 法 它将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域 单元 并通过它们边 界上的结点相互连接成为组合体 然后用每个单元内所假设的近似函数来分片地表 示全求解域内待求的未知场变量 而每个单元内的近似函数由未知场函数在单元各 个结点上的数值和与其对应的插值函数来表达 此表达式通常表示为矩阵形式 由 于在联结相邻单元的结点上 场函数应具有相同的数值 因而将它们用作数值求解 的基本未知量 这样一来 求解原来待求场函数的无穷多自由度问题转化为求解场 函数结点值的有限自由度问题 通过和原问题数学模型等效的变分原理或加权余量 法 建立求解基本未知量的代数方程组或常微分方程组 此方程组称为有限元求解 方程 并表示成规范化的矩阵形式 接着用数值方法求解此方程 从而得到问题的 解答 由于单元在空间可以是一维 二维或三维的 而且每一种单元可以有不同的形 状 同时各种单元之间可以采用不同的联结方式 这样一来 工程实际中遇到的非 常复杂的结构或构造都可能离散为由单元组合体表示的有限元模型 由于用单元内 近似函数分片地表示全求解域的未知场函数 并未限制场函数所满足的方程形式 也未限制各个单元所对应的方程必须是相同的形式 所以尽管有限元法开始是对线 弹性的应力分析问题提出的 很快就发展到弹塑性问题 粘弹性问题 动力问题 屈曲问题等 并进一步应用于流体力学问题 热传导问题等 而且可以利用有限元 法对不同物理现象相互耦合的问题进行有效的分析 由于有限元分析的各个步骤可以表达成规范化的矩阵形式 最后导致求解方程 可以统一为标准的矩阵代数问题 特别适合计算机的编程和执行 随着计算机软硬 件技术的高速发展 以及新的数值计算方法的不断出现 大型复杂问题的有限元分 析已成为工程技术领域的常规工作 9 l 最早的比较明确的做法始于1 9 4 3 年c o u r 觚t 对扭转的研究工作 2 0 世纪5 0 年 代是理论构架的萌芽阶段 由于工程实际的需要和电子计算机开始进入应用 有限 元首先在结构分析领域得到发展 学者们从多方面做了尝试与研究 1 9 5 6 年 t u m e r 和a o u g i l 在分析飞机结构中 用三角形单元解决了弹性力学平面问题 1 9 6 0 年 a 伽g l l 正式提出有限元这个名称 从此 有限元法从技术上 理论上 应用的实例 上开始了快速的发展 1 1 0 j 近三十年来有限元法的理论和应用得到迅速的 持续不断的发展 已经由弹性 4 第一章绪论 力学平面问题扩展到空问问题 板壳问题 由静力学问题扩展到动力学问题 稳定 问题和波动问题 分析对象从弹性材料扩展到塑性 粘弹性和复合材料等 从固体 力学扩展到流体力学 传热学等连续介质力学领域 随着具有强大功能计算机的发 展 大型有限元软件异军突起 如a n s y s a b a q u s a d i n a m s c n a s t r a n 和f e p g 等等 在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计和可靠性分析 成为计算机辅助工程的一个重要部分 1 3 3 3 前人在本课题领域中的成果简述 大连理工大学的侯佐岗和李峰在8 0 年代曾利用s a p 5 微机分析程序 在a t 计 算机上对一热水锅炉进行有限元分析 通过分析了解了管板上的应力分布 为锅炉 结构的合理设计提供了理论依据 1 1 1 j 因为管板结构复杂 在八十年代和九十年代初几乎无法对一个具有几千根换热 管的实际换热器进行直接的三维有限元分析 为此s i n g l l 1 2 与h o t l z l l 2 1 o h o l 1 3 1 l 泌a h a r a 1 4 与1 w a t a 1 4 等进行了各种简化模型的计算 随着计算机的发展和科技的进步 有越来越多的人对换热器的进行了有限元分 析 但是局限于计算机硬件的限制 大部分计算不够精确 瑚3 年 章姚辉 吕红等人应用a n s y s 软件利用体单元 壳单元和梁单元建 立了换热器的整体模型 进行了温度场和热应力的分析 并讨论了温度载荷与压力 载荷对换热器的影响 1 1 5 j 2 0 0 4 年 浙江大学的胡锡文等应用a n s y s 软件 用实体单元建立了考虑换热 管 壳体和垫片压力影响的薄管板真实模型 对处在压力和温度载荷共同作用下的 换热器管板进行了分析 同时对单独的管板模型进行了热分析 得到了管板上的温 差应力的分布 1 6 2 0 0 5 年 北京化工大学刘海亮利用a n s y s 对u 型管式换热器管板进行分析 利用实体单元建模进行了温度场和热应力分析并对不同工况进行分析评定 1 1 7 l 对于斜锥壳管壳式换热器的研究 2 0 0 6 年河北工业大学的程伟 高炳军 董俊 华曾做过固定式管束釜式重沸器管板的应力分析 利用f e p g 开发了固定式管束釜 式重沸器有限元计算程序 并将其嵌入压力容器分析设计系统 v a s 2 0 中 利用 峪 a n s y s 接口程序在a n s y s 中对一台固定式管束釜式重沸器进行了分析计算 得出只有壳程压力作用时是斜锥壳的最危险工况 最大应力强度值的位置发生在斜 锥壳与壳程简体连接处的内表面的结论 1 1 8 j 李永泰等利用a n s y s 采用杆单元和实体单元组合方法对此类结构进行分析 并按照分析设计标准分析了开工等七种瞬态和稳态工况下的强度状况 1 9 对于前人在这方面取得的成果 主要集中在等效管板理论的应用 包括管板温 度和应力的解析解和有限元解 但对于结构更为复杂的斜锥壳管壳式换热器的有限 元分析 分析还不够深入 精度还不够高 有待于进一步分析 5 北京化工大学硕士论文 1 4 本课题分析研究的内容 1 4 1 该换热器的结构形式及特点 根据实际设计参数 可以知道该换热器结构上具有如下特点 1 结构特殊 常见的带蒸发空问卧式换热器中锥形过渡段通常为3 0 i 冽 而 本论文中研究的换热器为了获得更大的蒸发空间 壳程大简体与小筒体之间用6 0 的斜锥壳连接 同时在管程出口管箱部分同样采用了斜锥壳连接 即结构不仅上下 具有非对称性 并且左右也具有结构不对称性 使得分析计算增加了难度 2 结构复杂 该换热器壳程部分的大简体直径为4 6 0 0 m m 小筒体直径为 2 9 0 0 i i i l m 并且换热管根数接近6 0 0 0 根 对于该换热器的建模过程比较复杂 需要 考虑合理的简化方式 3 由于结构不对称性的存在 在斜锥壳部分增加了拉筋结构以加强整体结构的 强度 1 4 2 主要研究的内容 基于工程应用和理论探索的考虑 本课题依据分析设计标准 采用有限元法 运用大型通用软件a n s y s 建立该换热器的整体三维有限元实体模型 对该换热器 进行稳态温度场及应力的计算与分析 并对各种载荷工况下应力对整个设备的影响 进行评估 对该换热器分析研究的主要内容包括 1 建立换热器的三维有限元模型 包括整体和局部的有限元模型 2 计算该换热器在各种载荷作用下的应力分布情况 为下一步进行工况组合做 好准备 3 进行载荷工况组合计算 并依据j b 4 7 3 2 1 9 9 5 进行应力评定 4 依据j b 4 7 3 2 1 9 9 5 对该换热器进行疲劳寿命校核 6 第二章斜锥壳管壳式换热器的分析计算条件 第二章斜锥壳管壳式换热器的分析计算条件 2 1 换热器主要结构尺寸 该换热器整体长度为1 2 5 1 8 m m 采用固定式管板 其直径为巾2 9 0 0 m m 管板 厚度为8 5 m m 材料为1 6 m n 1 a 1 复合板 管箱壁厚为2 8 m m 材料为1 6 m n r 1 a 1 复合板 壳体壁厚为2 4 m m 材料为1 6 m n r 壳体斜锥壳内径为4 6 0 0 m m 壁厚为2 4 m m 材料为1 6 m n r 换热管规格为1 9 1 2 5 m m 材料为1 a 1 不锈钢无缝 钢管 换热管总根数为5 9 7 0 根 在管板上为正方形排列 整体结构示意图见图2 1 主要结构尺寸见表2 1 强 0 置 辩毒 l o一蜻蚓 毯 f t i 口 聪蹩赞掌盛半 1 爱囊菱囊 j 鐾 p 3 s 7 辱o基s o 必 k v p n 6 f n o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 q 口7 w f f o 龠 詈 像 基准轰 篙i 矿芝tllf 簏i 0 譬 葳 嚣 隔 x 一 鼍 一妨一 弋 一舅 t l 窖l 2 8 篓6 兰 舅 7 等 档3 a 店 长 l 同 鬻 铲8 0 r 童 一 惫鹈 喁品 盏 去甲耄 2 5 8 图2 1 换热器结构简图 f i g 2 lh e a te x c h a n g e rs t n l c t u r ed i a g m m 表2 1 换热器主要结构尺寸 t a b l e2 lh e a te x c h a n g e rs t m c t u 陀p 缸a m e t e r 7 北京化t 大学硕士论文 2 2 工艺条件 根据中国纺织工业设计院提供的数据整理换热器设计参数表 换热器设计参数 见表2 2 表2 2 换热器设计参数 t a b l e2 2h e a te x c h a n g e rd e s i g i lc o n d i t i o n s 2 3 主要材料特性 该换热器主要使用了两种材料 筒体 管箱 管板部分均使用1 6 m n r 换热管 采用t a l 无缝管 具体材料属性见表2 3 表2 3 主要材料特性 r a b j e2 3m a t e d a lp r o p e n yp a r a m e e r s 注 1 其中 t a l 无缝管的弹性模量是由插值得来 根据j b t 4 7 4 5 2 0 0 2 1 0 0 时t a l 弹性模量为1 0 7 1 0 5 m p a 2 0 0 时其弹 性模量为1 0 1 1 0 5 m p a 根据单根管传热计算 具体计算见第四章 得到的结果 换热管壁平均壁温为 1 0 9 0 5 4 1 3 6 9 3 1 2 1 2 2 9 9 2 5 插值计算得到换热管弹性模量为 1 7 1 11一 122 9925 1 量三 二 三掣 1 562 1 npa 2 管板布管区采用等效管板 根据g b l 5 1 1 9 9 9 管壳式换热器 中对于当 量板的规定 当量弹性模量取材料自身弹性模量的0 4 倍 即 o 4 l2 0 3 5 1 0 l ll o 8 1 4 1 0 l l p a 8 第三章斜锥壳管壳式换热器三维有限元模型的建立 第三章斜锥壳管壳式换热器三维有限元模型的建立 3 1a n s y s 通用有限元程序简介 a n s y s 有限元程序是匹兹堡大学力学系教授j o h ns w a n s o n 博士创立的a n s y s 公司开发的功能强大 应用广泛的大型多功能商用有限元计算机程序 它是集结构 热 流体 电磁 声学于一体的大型通用有限元分析软件 具有多物理场耦合功能 允许在同一模型上进行各种各样的耦合计算 如 热一结构耦合 磁一结构耦合以 及电 磁一流体一热耦合 成为国际公认的工程仿真及校验工具 1 9 9 5 年1 0 月 a n s y s 软件已通过全国压力容器标准化技术委员会的测试 并 被认可为压力容器分析设计标准 j b 4 7 3 2 一1 9 9 5 相适应的有限元分析软件 用于 压力容器分析设计 本分析使用的版本为a n s y s l l 0 主要使用了其中的结构分析 和热分析两个模块 3 2 本课题所选用的单元简介 在本课题的有限元模型中主要使用了s o u d 4 5 s o u d 7 0 b e a m l 8 8 以及 u n k 8 四种单元 3 2 1s o l i d 4 5 三维实体单元 s o u d 4 5 单元用于构造三维固体结构 单元通过八个节点来定义 每个节点有 三个沿着x y z 方向平移的自由度 单元具有塑性 蠕变 膨胀 应力强化 大变形和大应变能力 单元需要定义的主要材料常数有杨氏模量 e x e y e z p o i s s o n 比和密度 等 输出结果主要有节点各方向的应力 应变 位移以及相应的单元导出解 s o u d 4 5 单元是结构分析的主要单元 本文中主要用其来模拟管板和壳体 该单元的具体形状和坐标以及退化单元见图3 1 9 北京化工大学硕士论文 j t 麟r 器r 尊蹲箍ie 扫秭 一 n 0 爹毒枣0 m n 煳鑫e d 图3 1s o u d 4 5 三维实体单元结构示意图 f i g 3 1s t l l l c t u r ed i a 伊a mo fs o u d 4 5e l e m e n t 3 2 2s o l i d 7 0 热分析实体单元 s o u d 7 0 是与s o l i d 4 5 对应的热分析单元 在专门的热分析中用来代替 s o u d 4 5 单元 s o u d 7 0 具有3 d 热传导能力 它具有八节点 每个节点有一个热 自由度 此单元可以做稳态和瞬态热分析 它的载荷可以是温度和对流 输出可以 是该节点的温度 此单元分析的温度场结果可以以温度载荷的形式直接施加在 s o u d 4 5 单元的节点上 该单元的具体形状和坐标以及退化单元同s o u d 4 5 见图3 1 3 2 3b e a m l 8 8 三维梁单元 b e 龇江1 8 8 梁单元是线性二节点单元 在每个节点上有六个或七个自由度 即x y 和z 方向的平动自由度和绕x y 和z 方向的转动自由度 还可以考虑第七个自 由度 即扭曲 单元结构如图3 2 所示 1 0 颐赫嗒 第三章斜锥壳管壳式换热器三维有限元模型的建立 z 图3 2b e 气m 1 8 8 梁单元结构不意图 f i g 3 2s t m 咖r ed i a 伊a mo fb e a m l 8 8 e l e m 哪t 单元需要定义的主要材料常数有杨氏模量 e x e y e z p o s s i o n 比等 还 需要定义截面形状参数 输出结果主要有节点各方向的位移和反力 以及相应的单 元导出解 b b 蝴1 8 8 梁单元可以在满足计算精度的情况下有效简化换热器结构的复杂 性 减少单元的数量 本文中主要用来模拟换热管 3 2 4ij n k 8 三维杆单元 u n k 8 单元为三维杆单元 每个节点具有三个自由度 沿节点坐标系x y z 方向的平动 单元不承受弯矩 具有塑性 蠕变 膨胀 应力刚化 大变形 大应 变功能 本文中应用u n k 8 单元来模拟拉筋 该单元的具体形状和坐标见图3 3 图3 3u n k 8 三维杆单元示意图 f i g 3 3s 咖c t u 陀d i a 伊锄0 fu n 鹚e l e 眦n t 3 3 有限元模型的建立 3 3 1 几何模型的建立 由于该换热器整体上左右和上下均不具有对称性 但在纵向具有对称性 故建 北京化丁人学顾i j 论义 模时沿换热器的纵向对称而切开取其一半作为分析模型 为了利于建模和计算 在 模型中忽略了一些对整体强度影响较小的小孔 对管程进口端的大丌孔建立局部模 型进行分析 具体分析见第六章 整体几何模型见图3 4 3 3 2 单元网格划分 图3 4 整体几何模型 f i g 3 4g e o m e t r i cm o d e lo f t h eh e a lc h a n g e r 考虑到s o l o d 4 5 单元为线性单元 为保证计算精度 沿筒体厚度方向划分了 三层单元 由于整体尺寸比较大 网格划分过密会影响计算速度 为此 控制单元 的边长比在1 7 范围内 根据上述原则建立的整体有限元模型如图3 5 所示 模型 共有2 7 5 4 8 9 个单元 其中实体单元1 6 6 8 7 2 个 梁单元1 0 8 6 1 2 个 杆单元5 个 节 点总数为3 1 1 3 0 5 个 1 2 第一 章斜锥壳管壳 换热 二维有限儿模型的建 图3 5 彳 限兀模型幽 f i g 3 5f i n i t ee i e m e n tm o d e lo fi h eh e a tc h a n g e r 3 4 约束边界条件 由于该换热器具有纵向对称面 可以建立一半的模型进行分析 故在对称面上 施加对称约束 即限定了整体沿z 向的位移 见图3 6 a 另外 在换热器一端支 座处限制x y 方向上的位移 在换热器另一端支座处限制y 方向的位移 考虑到折 流板对换热管的支撑作用 在换热管九个位置的节点上约束y z 两个自由度 具体 约束位置i 见图3 6 f b l 一 n 一 7 币厂j 图3 6 换热器约束位置图 f j g 3 7r e s t r i c t e dl o c a t i o no fi h eh e a tc h a n g e r 北京化工大学硕士论文 3 5 载荷条件 根据换热器实际情况 主要考虑了四种不同的工况 包括设计工况 操作工况 紧急工况及碱洗工况 3 5 1 设计工况 一般在后处理中 每次只能将一组数据读入数据库并对其进行后处理操作 有 时 当承受多种载荷的时候 可以独立计算三次获得三个序列结果 这时 如果希 望得到同时承受三种载荷时结构的状态 就可将三个结果序列组合 即加法运算 起来 这就是载荷工况组合的概念 在设计工况中 应用载荷工况组合的概念 先单独分别加载三种载荷 管程压 力 壳程压力 温度载荷 将每种载荷定义为一种工况 然后将工况进行组合 最 后得到承受多种载荷工况下的计算结果 1 壳程压力 换热器简体内壁承受壳程内压的作用 设计压力大小为o 5 9 m p a 施加于换热 器筒体的内表面及管板壳程侧的非布管区部分 由于管板布管区采用了等效实心板 施加于管板布管区上的压力应为等效压力 按下式计算得出 彳 罢n 5 9 7 0 和 他 百鸭 五 一 4 3 1 旦 2 7 0 3 2 5 9 7 0 旦 0 0 1 9 2 o 5 9 l l 一 0 4 1 6 m p a 旦 2 7 0 3 2 4 式中矿 壳程等效压力 m p a 风 壳程压力 m p a 彳 壳程侧管板实际承压面积 m 2 么 管板布管区面积 m 2 d 管板布管圆直径 m 以 换热管公称直径 m 2 管程压力 换热器管程的设计压力为2 0 m p a 施加在管箱内表面及管板管程侧非布管区 同样在管板管程侧布管区施加管程等效压力 按下式计算得 1 4 第三章斜锥壳管壳式换热器三维有限元模型的建立 p 见 筹一b 旦d 2 5 9 7 0 旦砰 44 旦d 2 4 3 2 旦 2 7 0 3 2 5 9 7 0 旦 f o 0 1 9 2 o 0 0 1 2 5 2 2 l 垒 二二 二 1 5 5 5 m p a 旦 2 7 0 3 2 4 式中矿 管程等效压力 m p a 阢 管程压力 m p a 彳 管程侧管板实际承压面积 m 2 彳 管板布管区面积 m 2 d 管板布管圆直径 m 西 换热管内径 m 管程出口的接管等效力按下式计算 胪南2 南2 丽南娟 p a 3 3 式中p 接管等效力 m p a k 出口接管外径与内径之比 比 出口接管外径 m 西 出口接管内径 m 3 温度载荷 温度载荷包括整个结构由热分析计算出的温度场 以及加载在换热管单元结点 上的温度载荷 在有限元热分析中 根据管程的对流传热系数 壳程的对流传热系 数以及材料的热导率 可以计算出整个结构的温度场 具体计算见第四章 4 载荷工况组合 工况一 只有壳程压力作用 工况二 只有管程压力作用 工况三 只有温度载荷作用 工况四 壳程压力与管程压力的共同作用 工况五 壳程压力与温度载荷的共同作用 工况六 管程压力与温度载荷的共同作用 工况七 管 壳程压力以及温度载荷的共同作用 3 5 2 操作工况 在正常操作情况下 壳程的操作压力为o 0 5 m p a 施加于筒体的内表面及管板 壳程侧的非布管区部分 在管板布管区施加等效压力p 一0 0 3 5 4 m p a 计算公式同 北京化工大学硕上论文 设计工况 同时管程的操作压力为1 1 5 m p a 管板布管区等效压力为 p o 8 9 4 m p a 管程出口的接管等效力为p 7 9 3 7 m p a 以及施加整体温度场的 温度载荷 3 5 3 紧急工况 根据紧急工况条件 见表3 1 比较可知 壳程流动终止工况为最危险工况 故只计算此种紧急工况下的应力强度即可 壳程终止流动工况下 壳程压力为全真 空 一0 1 m p a 管程压力为1 1 5 m p a 该工况下 壳体温度为4 0 换热管温度 为1 4 2 管程进出口温度分别为1 4 1 8 1 及1 1 5 计算温度场后施加到整体 具体计算见第四章 表3 1 紧急工况条件 f i g 3 1c o n d i t i 0 璐0 ft h ee m e r g e n c yc a s e 3 5 4 碱洗工况 在表3 2 中所示的几种碱洗工况中 比较后 确定苛刻碱洗工况为几种碱洗工 况中最危险工况 因此仅计算此种碱洗工况下的应力强度即可 此工况下壳程压力 为 一o 1 m p a 管程压力为1 5 0 m p a 该工况下 壳体温度为4 0 换热管温度 为8 0 计算温度场后施加到整体 具体温度场计算见第四章 表3 2 碱洗工况条件 f i g 3 2c o n d i t i o n s o ft h ec 她s t i cw 筋h i n gc a 1 6 第四章换热器稳态温度场分析 第四章换热器稳态温度场分析 当一个结构加热或冷却时 会发生膨胀或收缩 如果结构各部分之间热膨胀或 收缩程度不一样 或结构的膨胀或收缩受到限制 就会产生热应力 本课题中 由 表2 2 知 管程进出口温度分别为1 4 1 8 1 及1 1 5 壳程进出口温度分别为1 0 5 及1 1 1 6 2 管壳程操作温度相差较大 管束与壳程简体间的热膨胀差必然会在管 板上产生较大的热应力 而且热端管板两侧较高的介质温差也会在管板上产生一定 的热应力 因此需要考虑总体热应力 但在计算整体温度场之前需要先计算单根管模型的温度场分布 单根管模型用 来模拟管 壳程流体与金属接触部分的热对流 及换热管与管板之间及其内部的热 传导 将计算出的换热管温度在计算整体热应力时作为线性温度施加到换热管上 整体温度场的计算需要应用a n s y s 中的热分析模块 4 1 传热学经典理论回顾 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数 如热量的获取 或损失 热梯度 热流密度 热通量 等 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程 用有限元法计算各节点的温度 并导 出其他热物理参数 热分析遵循热力学第一定律 即能量守恒定律 对于一个封闭的系统 没有质量的流入或流出 q 一 一 u 磊z 尸e 4 一1 式中q 热量 作功 u 系统内能 肛 系统动能 咫一系统势能 对于大多数工程传热问题 k e p e 0 通常考虑没有作功 w o 则q u 对于稳态热分析 q u o 对于瞬态热分析 g 掣 即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化 口f 4 2 热分析方式的确定 热分析包括热传导 热对流及热辐射三种热传递方式 此外还可以分析相变 1 7 北京化 t 大学硕士论文 有内热源 接触热阻等问题 本课题中主要用到热传导和热对流分析两部分 4 2 1 热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温 度梯度而引起的内能的交换 热传到遵循傅立叶定律 g 皇 4 2 以x 式中口 热流密度 w 恤2 k 导热系数 w m 譬二温度梯度 m d x 上式中的 一 表示热流密度的方向与温度梯度的方向相反 如果系统的净热流率为o 即系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系 统的热量 留漉入 吁生成一日流出 o 4 3 则系统处于热稳态 在稳态热分析中任何节点的温度不随时间变化 稳态热分 析的能量平衡方程为 以矩阵形式表示 七弦 一 q 4 4 式中k 1 传导矩阵 丁 节点温度向量 q 节点热流率向量 利用模型几何参数 材料热性能参数以及所施加的边界条件 生成 露 7 以 及 q 稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响 通过有限元计算确定由 于稳定的热载荷引起的温度 热梯度 热流率 热流密度等参数 通常稳态热分析 用于确定温度分布 本课题中分析的重点在于换热器在稳定工作情况下的温度分布情况 因此采用 稳态热分析数学模型 4 2 2 热对流 流体中温度不同的各部分流体之间 由于发生相对运动而将热量由一处带到另 一处的热现象称为热对流 这是一种借助于流体宏观位移而实现的热量传递过程 宏观位移是大量分子集体运动或者说流体微团的运动结果 这时不仅有宏观运动 还有随机运动 即微观运动 所以实际上流体在进行热对流的同时也发生热量的传 1 8 第四章换热器稳态温度场分析 导过程 因此 发生在流动介质中的热量传递是热传导与热对流的综合过程 工程 上经常遇到流体与温度不同的固体壁面接触时的热量交换的情况 这种热量的传递 过程称为对流换热 由于单一的热对流是不存在的 因而传热学中讨论的对流问题 主要是对流换热过程 4 2 单根管传热计算 4 2 1 单根管模型的建立 取一根管 管板取其周围的对称部分 由于管间距为o 0 2 8 m 因此管板可取为 o 0 2 8 m 0 0 2 8 m o 0 8 5 m 的长方体 单位 米 4 2 2 网格的划分 图4 1 单根管简化图 f i g 4 ld i a g 矾mo f t h es i n 出et u b em o d e l 为了保证结点对应 将管沿轴向分为三部分 两边管板部分长度取为管板厚度 0 0 8 5 m 为便于划分网格再将整体等分为四部分 在划分换热管网格时 将管子沿壁厚方向只划分一份 o 0 0 1 2 5 m 将每段弧 上个划分2 0 份 即一周为8 0 份 将长度等于管板厚度的两段管子沿长度方向分为 3 0 份 具体有限元模型如下 1 9 北京化t 人学坝l j 论文 4 2 3 施加载荷 图4 2 单根管有限元模型 f i g 4 2f i n i t ee l e m e