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1、58化工機械2012年預變形加載方式對預應力換熱器性能的影響郭崇志。林橋(華南理工大學)摘要通過建立由殼體、管板以及換熱管等構(gòu)成的固定管板換熱器有限元分析模型，研究了不同的制造技術(shù)對預應力換熱器性能的影響，探討了給定溫度場下，兩種預變形加載方式對管板強度的影響，得到了管板與管子連接局部應力隨預變形變化的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，兩種制造技術(shù)得到的預應力換熱器都能顯著降低管子與管板連接局部的應力集中，而分段加裁技術(shù)具有更強的適應性和經(jīng)濟性。關(guān)鍵詞固定管板換熱器預應力換熱器預變形加載制造技術(shù)中圖分類號TQ051．
2、5文獻標識碼A文章編號0254石094(2012)OlJ0058-04固定管板換熱器中，過大的管殼壁溫差引起的溫差應力是導致結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一，為了降低換熱器中的溫差應力以及由此引起的破壞，郭崇志提出了一種通過施加預應力來降低運行中的換熱器溫差應力的制造專利技術(shù)?，陳文昕等曾對某預應力換熱器進行過粗略的計算，并將預應力換熱器和相應的普通管殼式換熱器的計算結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明預應力技術(shù)能有效降低換熱器的溫差應力舊1。在制造固定管板換熱器過程中，重點是采用何種方式來實施預變形加載從而獲得預期的性
3、能。為此，筆者提出了兩種加載技術(shù)，即“整體加載”和“分段加載”技術(shù)，并對這兩種技術(shù)獲得的預應力換熱器性能進行了分析。1建模1．1幾何模型結(jié)構(gòu)尺寸及工藝條件幾何結(jié)構(gòu)模型如圖l所示，為折流桿固定管板式換熱器，其主要結(jié)構(gòu)尺寸如下：管板厚度612mm管板外徑125mm導流筒幾何參數(shù)咖92mm×1mm×120mm管心距P。19mm(正三角排列)殼體西115mm×6．5mm×l476mm換熱管18一咖12mm×3mm×l500mm為了得到管、殼程較大壁溫差，兩種介質(zhì)流向為并流，其主要工藝條件見表1。圖l換熱器結(jié)
4、構(gòu)簡圖表1工藝條件1．2模型的簡化及單元類型的選取建立了由管板、殼體和管柬3種主要構(gòu)件組成的1／2對稱簡化模型，并利用ANSYS對預應力換熱器進行熱一結(jié)構(gòu)耦合分析，取solid作為耦合分析單元，同時設置換熱管為預拉伸單元。為了在ANSYS結(jié)構(gòu)分析模型中使用FLUENT的流體流動與傳熱模型的計算結(jié)果【3’4】，在兩個軟件中建立模型時，要求幾何形狀保持一致”。1，并采用“分段模擬，整體綜合”方法"“叫進行CFD分析。1．3預變形量的兩種加載制造過程對換熱管施加預變形時，目前有兩種·郭崇志，男。1956年
5、11月生，高級工程師，碩士生導師。廣東省廣州市，510640。第39卷第1期化工機械加載方式：一種是整體加載技術(shù)”1，即對所有的換熱管施加相同的預變形量；另一種是分段加載技術(shù)”1，即沿管板的徑向加載不同的預變形量。假定管板外圓周邊緣在軸向(z向)上的變形為零，而各層管排近似視為若干同心圓，每個同心圓層上需要加載的預變值根據(jù)中心點變形量，按照變形曲線算出。1．4定義路徑圖2給出了在出口管板上定義的路徑D，人口管板定義的路徑x。蹄往路徑x圖2兩條路徑定義示意圖1．5預變形量的確定圖3是在路徑D上換熱管和
6、殼體的軸向自由熱膨脹差模擬結(jié)果，據(jù)此可以確定預變形加載的范圍。圖3路徑上軸向位移變化2求解結(jié)果比較2．1兩種預變形的預應力結(jié)果對比圖4給出了兩種預變形加載得到預變形和最大熱應力的關(guān)系。由圖4可見，無論何種加載，隨著預變形量的增加，最大應力(以下主要討論等效熱應力，軸向熱應力作為參照)呈現(xiàn)先降后升的趨勢，這說明存在著一個最優(yōu)的預變形狀態(tài)，對應溫差應力最小狀態(tài)；與最優(yōu)預變形狀態(tài)相比，未施加預變形的(常規(guī))換熱器的最大應力往往超過預應力換熱器2—3倍?？梢娊?jīng)過優(yōu)化預變形處理的預應力換熱器，與常規(guī)換熱器相比
7、具有非常優(yōu)越的承載條件；兩種加載方式下，整體加載比分段加載更先達到最優(yōu)預變形量；隨著預變形量的增加，開始整體加載的等效應力比分段加載小，隨后整體加載得到的等效應力比分段加載得到的大；在最優(yōu)預變形下，整體加載方式對應的最大應力小于分段加載方式，因為分段加載方式總的預變形量大于整體加載方式。=雜型R型a整體加載b分殷加贛圖4最大應力隨預變形變化曲線2．2路徑分析結(jié)果圖s所示為路徑D上，兩種加載方式下，不同預變量對應的等效應力曲線。芒暑棠型祭埽a整體加載化工機械2012年．636mm．736mm．836m
8、m936mm．036mm．086mm．136mmO20406080100120路徑，mmb．分段加載圖5等效應力隨預變形的變化曲線由圖5可得出以下結(jié)論：a．常規(guī)(無預變形)換熱器的等效應力曲線的總趨勢是管板中心部位的管橋應力比管板邊緣的應力高。此外，管口附近應力分布的均勻性差，在布管區(qū)管子的孔口邊緣附近應力陡然上升，意味著孔邊緣存在很高的應力集中，而在管板邊緣附近的管子孔口附近應力陡增情況趨緩，但還是存在較大的應力集中。b．隨著預變形量的增加，管橋應力降低，孔口附近的
