X型板式换热器的数值模拟结构热应力分析

1、第38卷第5期化工机械591X型板式换热器的数值模拟结构热应力分析陈文超张饋龙 梁欣Z（1-常州大学机械与能源工程学院;2.江苏省油气.井口装备工程技术研究中心）M 娈 应用An町s对X型板式挾热器进行热直力的數值澳池肚沟分析，棋相采朋三板玫通道形X、挟 蜒处分别为根坪坪接形式的模住，在模型的聂外壁分别加以位移为0栽荷，以固定板片模型为静态形 式，在上下两个通道口分别给与温度載荷进行拔分析，并总用同挟热因桐合法进行热应力分析。研究 结果表明：在板身区域，热应力均匀且非主要跃应力区域；在坪裟处及板与板之间的奂用处为热应力集 中JL易破坏区城。关词 X型板式换热& Ansys 拔应力中图分

2、类号TQO51.5文献标识码 A文章编号0254-6094（2011）05-0591-04第38卷第5期化工机械#第38卷第5期化工机械593板式换热器是换热器的一种，是目前国内外 普遍采用的一种具有传热效率高、压降低、占地面 积小，且容易适应各种工况的高效换热器，它由板 片组成，板片与板片之间采用逆流或错流等流型 相互传热，最终使热能得到回收，并在工业上加以 二次利用，节约能源，降低能耗，节约生产成本。 板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属 片叠装而成的一种新型高效换热器。换热器的各 板片之间形成许多小流通断面的流道，通过板片 进行热凰交换。它与常规的壳管式换热器相比， 在相同的流动阻

3、力和泵功率消耗情况下，其传热 系数要胚出很多，在适用范围内有取代壳管式换 热器的趋势。笔者重点考虑了固定管板式换热器中热变形 受到相互约束的构件系统，用Ansys软件对结构 整体温度场进行数值计算，并利用间接热固耦合 法研究了 X型板式换热器的热应力场。在此分 析中考虑了换热器板片、板间焊接和壳体之间的 相互约束关系，建立简化分析模型，并以Ansys数 值模拟得到的各个相应温度数据作为温度载荷加 载到结构分析模型上，进行结构分析。1结构模型模型采用热分析的壳单元，并采用可以用于 热-结构耦合分析的shelI131单元，shell层数选 择3层，模型材料数据均为0Crl8Ni9不锈钢，板 片厚度

4、为0. 8mm,板片尺寸400mm x 400mm,在 完成热分析后，生成可供结构分析采用的热分析 温度.rlh文件，将热分析单元shelll31转化为结 构分析单元shelllSl后，加载位移及温度载荷进 行热结构分析，并得到分析后的分布云图。本实验利用波纹板片相互倒置后叠放在一 起，上下形成X字形的波纹（图】），从而形成周期 性变化的通道，流体流过此通道从而形成不规则 的流动形态，也就是形成交叉流、曲折流等湍流强 度较高的流体形态。图1 X型板或.换热器波纹板片陈文超，男，1984年2月生，碩士研究生。江苏省常州市,213016。如图1所示,3个换热板片形成了上、下两通 道，分别流入冷流体

5、和热流体，由于存在温度差, 热流体将热量经过中间板片传递给冷流体的同 时，受到上、下板片所形成的X字形的扰动，从而 形成曲折形流动，在流动过程中产生强度较高的 湍流，以达到高效传热的目的。另外，上、中、 下3块板彼此交错，在X型的交叉点处形成流体 间的相互对顶，流体空间变小、压力增大，形成支 撑板片的形式，从而此换热器的交叉点可以对换 热器整体形成支持作用，提高此换热器的承压能 力。板片在加工前先进行翻边，并且在板片与板 片之间，用辗焊焊接，上、中两板片前后焊接，中、 下两板片左右焊接（图2）,最终形成三板片两焊 缝的结构模型。结构模型由结构设计软件solid- works完成，保存para格

6、式导人ansys（2） °田2 X型板式换黙器络构模型2建立有限元模型板式换热器内部结构较为复杂，笔者对结构 模型（图3）进行了合理简化，在分析模型中忽略 了换热器的内部支撐三角架、保温层、换热外箱及 外箱封头等部件，建立了由板片、焊接口和换热空AN图3 X型板式换热器有限元结构模型 腔3个主要结构组成的简化模型。近似将实际的 换热器视为若干个相同的单元模型，即单一单元 模型。3模型的网格划分该板式换热器的网格划分为曲面划分，因为 在模型中的板片上都有直线形波纹，因而用非结 构形网格更能适应模型网格划分的要求，使模型 的网格划分更容易成功，同时网格数量也不是很 多，可以满足计算要求。

7、在网格划分中，选择 mesh所有的面，所得网格划分结果如图4所示。图4 X型板式换热器有限元结构模型网格图4热分析及结果热分析是利用Ansys间接热-固耦合进 行，先施加温度载荷得到热分析初步数据，再进而 使用该数据进行热应力分析。利用间接法操作不 仅简单方便，而且适用范围大，与直接法相比可供 选择的单元数目多，达到研究目的方法也相应增 多。进行结构热应力分析时需要综合考虑各个方 向的温差影响，即冷、热流体的温度全部作为温度 载荷，同时施加4个温度，从而使得温度场与实际 相近。此板式换热器热分析依据冷流体进口 20弋、 出口 100弋，热流体进口 400*、出口 180Y,温度 载荷具体加载情

8、形如图5所示。将相应温度载荷加到相应线上后，对所加载 的结果进行有限元分析计算，从而得出X型板式 换热器的热分析结果分布云图（图6）。从图6可 看出，泯度梯度呈不均匀分布，温度最高及最低的 区域温度梯度变化快，中心区域温度样度渐变平 缓。图5 X型板式换热器有限元模型标号图图6 X型板式换热器热分析结果分布云图5热应力分析及结果热分析结果输出.rth文件，将单元类型由热 分析单元类shell HI转变为相对应的结构分析 单元类型shelUSl,定义结构类型物理参数(304 不锈钢)。在进行结构分析时，加载位移和温 度载荷。在加载温度载荷时，导入之前的热分析 所得到的温度数据，并以.rth文件的

9、形式导入 Ansys进行加载"所得到的热应力结果分布云图 如图7所示。由图7可看出，板片中热应力值低于板片夹图7 X型板式换热器热应力结果分布云图 角处值。在板片夹角处，明显呈现深色区域， 热应力值较大，并且还可从图中看岀，角顶处颜色 加深，即角顶处的热应力值相比角其它地方的要 大些。6结束语在X型板式换热器波纹板身区域，热应力均 匀且不为主要强应力区域，在焊接处及板与板之 间的夹角处，热应力较大且分布不均匀，尤其是焊 接夹角处为热应力集中易破坏区域.参考文献1J霁崇志林长讦.固定骨板式换热器的温度场数值 分析J.化工机械,2008,35(6) ：338 342.2 杨懦周，宫兵，何

10、璟.板式换热器设计计算形响因 素J.石油化工设备,2009.38(z1)：1214.3 曹海兵，江楠固定管板式换热器管板强度的有限 元分析J)化工设备与管道,2009,46(3):5 -6.4 方珍.芳烽装買板式换热器开裂原因分析J.化 工设备与管道,2009,46(3) ：16 17.5 卢磊.对板式换热器夹紧螺柱长度计算公式的探 讨J.科技创新导报,2009,(16):125.(收稿日期：2010-09-05)第38卷第5期化工机械#第38卷第5期化工机械#Thermal Stress Analysis for X-shaped Plate HeatExchangers with Thre

11、e-dimensional StructureCHEN Wen-chao*2,ZHANG Suo-long* 2, LIANG Xin,<2(1. College of Mechanical and Energy Engineering t Changzhou University;Jiangsu Provincial Engineering and Technological Research Center for Oilgas Wellhead Equipments t Changzhou 213016 f China) Abstract Ansys was applied to s

12、imulate and analyze the thermal stress of X-shaped plale heat exchangers ； in (Continued on Page 642 )642化工机械2011 年参考文献1 刘红祥，周秀红顺肝装置解析塔再沸器结垢处理 与预防 LJ 吐哈油气,201035(3):309 -311.2 罗志梅.顺肝溶剂吸收装置中影响离心机分离效果 的风索分析J化学工程与装备.2009,(11)： 67 693 李勇杨帆有机溶剂回收顺肝工艺中溶剂精制方 法的改进J 化工中间体，2010.(7):55 -574 韦贵朋，铁新华顺酊回收工艺技术进展J河

13、南 化工,2006,23(7)：675 徐立勇齐欣顺肝回收技术及发展趋势J化工 时刊 f2003 J7(3)：17-19.(收稿口期：20114)1-28；修回日期：20114)3-03)642化工机械2011 年642化工机械2011 年(Continued from Page 593)simulation 9 a three-plate dual-channel form was employed and roller welding model was established for roller seams； at the model * s utmost outerwall t a

14、load with zero displacement was made and a fixed plate model was regarded as static form At upper and lower openings 9 a temperature load was given to benefit thermal stress a- nalysis The results show that over the plate body, the thermal stress distributes uniformly, and the thermal stress only co

15、ncentrates at the welds and the intersection angle between plates and undermines them Key words Xshape plate heat exchanger, Ansys, thermal stress642化工机械2011 年642化工机械2011 年轻工机械2010年征订启事全面介绍轻工机械(主耍包括：造纸、食品、包装、印 刷、纺织、制药、塑料加工、日用化工、H用机电及其他轻 工专用机械)和与之相关的模具、配件、仪表、自控、通讯 等领域的发展趟势为轻工业各行业、轻工机械制造行业 及相关协作.配套、供应

16、行业、企业和广大读若腋务。双月刊，大16开，毎册定价1U.00元，全年60.00元。邮局订阅(代号32-39),也可直接向木编辑部邮购 (另加邮费2元/本)。编辑部地址：杭州体育场路71号 邮编：310004开户银行：杭州工商银行建国北路分理处户头：轻T.业杭州机电设计研究院帐号： 1202022209014428297刊号:CN 33-1180/TH , ISSN 1005-2895电话：(0571 )85186130 85187520hltp：/www qjxzz comE-mail: qgjxzz mail. hz. zj cn 或 qgjxzz 163 com压力容器2010年征订启事

17、压力容器杂志由经国家新闻出版署批准岀版的中 央级技术刊物中国科学技术协会主管.中国机械工程学 会压力容器分会主办、合肥通用机械研究院承办国内外 公开发行，国内统一刊号：CN 34-1058/TH,国际连续出版 物编号：ISSN 1001-4837号。月刊大16开本每期定价8.00元全年定价96.00元(含邮寄费)。国外发行：中国 国际图书贸易总公司(北京399信箱)，国外发行代号： 1529BM。压力容器杂志是中国压力容器学会会刊自1984 年创刊以来一直坚持学术性与实用性相结合的办刊方 针，是压力容器行业的权威杂志之一。压力容器杂志 被评定为“中文核心期同”，编入中国核心期刊要目总 览(第五

18、版八被科技部“中国科技论文统计源"期刊数 据库确定为中国科技核心期刊”等。杂志已加入了国内 所有知名期刊数据库。压力容器杂志主要报道超髙压、髙压、中低压压力 容器和气瓶、换热器、塔器等壳体、大型高压管道、通用机 械(如压缩机、制冷机等)承压辅助设备等的试验研究、结 构设计材料工程、制适技术.焊接技术.无损检测技术、 技术馀述、标准规范.安全分析、使用背理以及国内外压 力容器研究技术进展、压力容器行业信息等内容。为方便广大读者了解压力容器杂志情况欢迎您 免费索取近期杂志。读者如错过邮局征订期.可向压力 容器杂志社索取2012年杂志订单。通信地址：安徽省合肥市髙新区夭湖路29号邮政编码：230088联系电话：(0551) 5335515.5335456传 ft：0551 -5335453电子信箱：pvt chinapvt. com网址:http：/www. chinapvt com。642化工机械2011 年X型板式换热器的数值模拟结构热应力分析1 1 1 WAHFANGDATA 尢作者：作者单位：刊名：英文刊名： 年，卷(期):陈文超，张锁龙，梁欣，CHEN Wen-chap ZHANG Suo-long LIANG Xin常州大学机械与能源工程学院江苏省常州市213016;江苏省油气