u形管換熱器管板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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1、U形管換熱器管板的優(yōu)化設(shè)計(jì)1概述管殼式換熱器換熱是為了實(shí)現(xiàn)物料之間的熱量傳遞過程的一類設(shè)備，它在化工、能源、動(dòng)力醫(yī)藥裝置設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛,因?yàn)楣軞な綋Q熱器的結(jié)構(gòu)非常堅(jiān)固,并且能夠選擇多種材料進(jìn)行制造,所以適應(yīng)能力極強(qiáng),尤其是在高溫、高壓和大型裝置中得到了普遍性的應(yīng)用?！?】在管殼式換熱器的各種型式中，U形管式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單緊密、密封性能好、金屬消耗小、制造價(jià)格低、熱補(bǔ)償性好、承壓能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于高溫、高壓等工況。U形管換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須要考慮材料、溫度、壓力、結(jié)垢情況、壁溫差、流體性質(zhì)以及檢修與清理等多種因素，綜合上述因素才能考慮來設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)形式。[2]1-分程隔板；2-管箱；3

2、-筒體；4-縱向隔板；5-U形管；6-橢圓封頭；7-拉桿；8-定距環(huán)；9-折流板；10-支座；11-管板圖1U型管換熱器結(jié)構(gòu)圖2換熱器管板分析方法的發(fā)展世界上每個(gè)國家都有自己的管殼式設(shè)計(jì)規(guī)范，我國目前通用的是99年修訂過的GB151-1999《管殼式換熱器》。國際上比較早出現(xiàn)的管板設(shè)計(jì)規(guī)范是美國的管殼式換熱器制造商協(xié)會(huì)(TEMA)標(biāo)準(zhǔn),雖然計(jì)算公式簡單,但是適用范圍和計(jì)算精度都有比較大的限制?！?】前人對(duì)管板的研究以及各國的規(guī)范大多都采用等效板理論,這種方法在管板的實(shí)際設(shè)計(jì)中得到了非常廣泛的應(yīng)用"但是等效板法以彈性薄板理論為基礎(chǔ),用于厚管板分析的時(shí)候可能會(huì)存在較大的偏差;同時(shí),各國的范都是基于

3、管板載荷與約束均具有軸對(duì)稱性而導(dǎo)出來的,實(shí)際上除了單管程和單殼程換熱器的管板外,其余種類換熱器管板都不可能滿足這個(gè)條件;另外,采用無孔等效板還不能準(zhǔn)確的模擬管板上溫度場,尤其是在采用脹接與管子連接的同時(shí),對(duì)管板溫度場有重要的影響?！?】計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展使的有限元數(shù)值分析法在管板設(shè)計(jì)與研究上的應(yīng)用成為了一種可能，該方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以充分的模擬管板的真實(shí)結(jié)構(gòu),和真實(shí)的載荷邊界條件,而不受到管板厚度或者其他結(jié)構(gòu)形式的限制和影響,所以越來越受到重視?！?】3管板的研究與優(yōu)化3.1管板管板是U形管換熱器最重要、最復(fù)雜、造價(jià)最高的零件之一。它用來排布換熱管，處于管程和殼程之間，將之間的流體分隔

4、開，避免冷熱流體混合，并且承受管程和殼程之間的壓力和溫度的部件?！?】3.2管板的優(yōu)化如今在各種工業(yè)設(shè)備的大型化和復(fù)雜化的前提下，人們對(duì)換熱器的換熱效率、以及承壓能力等多種參數(shù)的要求也就更加的苛刻，所以產(chǎn)生了一批溫度、壓力都超過常規(guī)換熱器要求范圍的“超標(biāo)”設(shè)備，因此我們需要更高級(jí)的設(shè)計(jì)與分析技術(shù)來設(shè)計(jì)以及校核換熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性?！?】3.2.1厚度優(yōu)化在大直徑和高壓力的情況下，管板的加工藝、材料、生產(chǎn)周期等諸多因素都會(huì)決定設(shè)備的生產(chǎn)。合理地確定管板厚度對(duì)換熱器的安全運(yùn)轉(zhuǎn)、材料的捷運(yùn)、成本的降低起到非常重要的作用。[8]增加管板的厚度，可以提高管板承受壓力的能力，但是管板兩側(cè)流體的溫度差非常

5、大的時(shí)候，管板內(nèi)部沿厚度方向的熱應(yīng)力就會(huì)增大；如果減小管板的厚度，雖然可以降低熱應(yīng)力，但是承受壓力的能力將會(huì)降低。U形管換熱器的管板，結(jié)構(gòu)和載荷都非常的復(fù)雜，使得管板的設(shè)計(jì)與制造就變的困難。采用Matlab對(duì)U形管換熱器管板厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅可以縮短了計(jì)算周期，同時(shí)還保證了設(shè)計(jì)的可靠性和設(shè)計(jì)的合理性?！?】U形管式換熱器的管板厚度隨著壓差的增大而增大，因此，在滿足強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減少管板厚度?！?0】3.2.2溫度優(yōu)化在管板采用自緊密封形式時(shí)，隨著工作壓力的提升，密封元件之間的接觸壓力就會(huì)加大，工作的壓力越高，密封性就越好，因此在高壓力、大直徑時(shí)，自緊式密封就會(huì)顯示出它的優(yōu)越性，該自緊

6、密封U型管換熱器管板模型，換熱管和管板采用的是焊接和脹接相結(jié)合的連接方式在非布管區(qū)，管程側(cè)管板表面的溫度最高，殼程側(cè)管板表面的溫度最低，而且與布管區(qū)的溫度相比，它的溫度沿管板厚度波動(dòng)寬度較大，在管板布管區(qū)，管板大部分厚度上的溫度位于管程流體溫度和殼程流體溫度之間，而在靠近殼程流體一側(cè)很薄的一層區(qū)域中的管板金屬溫度接近殼程流體溫度，而在靠近管程流體一側(cè)很薄的一層區(qū)域的管板金屬溫度接近管程流體溫度?！?1】換熱器的工作環(huán)境會(huì)導(dǎo)致管板的上下兩表面溫差非常巨大，溫度差的出現(xiàn)將會(huì)導(dǎo)致溫差應(yīng)力“熱應(yīng)力”的出現(xiàn)，而溫度載荷引起的熱應(yīng)力是不可忽視的一個(gè)重要的因素?！?2】在溫度變化非常明顯的地方，應(yīng)力強(qiáng)度會(huì)出

7、現(xiàn)變化，這對(duì)溫度場的分析總結(jié)是一項(xiàng)非常有意義的工作。【13】在對(duì)管板有限元模型施加溫度載荷進(jìn)行求解分析后，將會(huì)得到了以下結(jié)論(1)在管板布管區(qū)域，管板大部分厚度上溫度都會(huì)介于管程流體溫度與殼程流體溫度之間，只有在靠近管板表面處很薄的一層區(qū)域內(nèi)管板的溫度接近該側(cè)流體的溫度，而且非常直觀地反映ASME中表皮效應(yīng)理論，上下管板面表皮效應(yīng)影響區(qū)的厚度大約均是管板厚度的十分之一左右。(2)在管板不布管區(qū)域內(nèi)