U形管換熱器管板的優(yōu)化設(shè)計

1、 U形管換熱器管板的優(yōu)化設(shè)計1概述 管殼式換熱器換熱是為了實現(xiàn)物料之間的熱量傳遞過程的一類設(shè)備，它在化工、能源、動力醫(yī)藥裝置設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛 ,因為管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)非常堅固 ,并且能夠選擇多種材料進行制造 ,所以適應(yīng)能力極強 ,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、制造價格低、熱補償性好、承壓能力強等諸多優(yōu)點，適用于高溫、高壓等工況。U形管換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計須要考慮材料、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)計其結(jié)構(gòu)形式。21-分程隔板；2-

2、管箱；3-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1 U型管換熱器結(jié)構(gòu)圖2換熱器管板分析方法的發(fā)展 世界上每個國家都有自己的管殼式設(shè)計規(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)計規(guī)范是美國的管殼式換熱器制造商協(xié)會(TEMA)標準,雖然計算公式簡單,但是適用范圍和計算精度都有比較大的限制?！?】前人對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際設(shè)計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候可能會存在較大的

3、偏差;同時,各國的范都是基于管板載荷與約束均具有軸對稱性而導出來的,實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條件;另外,采用無孔等效板還不能準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,對管板溫度場有重要的影響。【4】計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展使的有限元數(shù)值分析法在管板設(shè)計與研究上的應(yīng)用成為了一種可能，該方法的最大優(yōu)點就是可以充分的模擬管板的真實結(jié)構(gòu),和真實的載荷邊界條件,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、最復雜、造價最高的零件之一。它用來排布換熱管，處于管

4、程和殼程之間，將之間的流體分隔開，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)備的大型化和復雜化的前提下，人們對換熱器的換熱效率、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”設(shè)備，因此我們需要更高級的設(shè)計與分析技術(shù)來設(shè)計以及校核換熱器的結(jié)構(gòu)強度安全性?！?】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決定設(shè)備的生產(chǎn)。合理地確定管板厚度對換熱器的安全運轉(zhuǎn)、材料的捷運、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

5、，但是管板兩側(cè)流體的溫度差非常大的時候，管板內(nèi)部沿厚度方向的熱應(yīng)力就會增大；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降低。U形管換熱器的管板，結(jié)構(gòu)和載荷都非常的復雜，使得管板的設(shè)計與制造就變的困難。采用Matlab對U形管換熱器管板厚度進行優(yōu)化設(shè)計，不僅可以縮短了計算周期，同時還保證了設(shè)計的可靠性和設(shè)計的合理性?！?】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，隨著工作壓力的提升，密封元件之間的接觸壓力就會加大，工作的壓力越高，密封性就越好，因此在高壓力、大直徑時，自緊式

6、密封就會顯示出它的優(yōu)越性 ，該自緊密封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)境會導致管板的上下兩表面溫差非常巨大，溫度差的出現(xiàn)將會導致溫差應(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重要的因素?！?2】在溫

7、度變化非常明顯的地方，應(yīng)力強度會出現(xiàn)變化，這對溫度場的分析總結(jié)是一項非常有意義的工作?！?3】在對管板有限元模型施加溫度載荷進行求解分析后，將會得到了以下結(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)，管板沿厚度方向溫度由接近于管程流體溫度，從管程呈線性降低到接近于殼程流體溫度?！?4】(3) 從整個管板來看，在管板大部分厚度上都呈現(xiàn)出管板邊緣比管板中心的管板

8、布管區(qū)及管板過渡區(qū)的高溫區(qū)要多，這就能從側(cè)面反映出管板邊緣處的應(yīng)力較高(4) 管板表面的溫度梯度越高，將會導致管板表面產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力?！?5】自緊密封U型管式換熱器管板溫度場的ANSYS分析林玉娟、孫士財、馮永利、李雷明自緊密封 U 型管式換熱器的有限元分析 關(guān)志超、林玉娟參考文獻1U形管式換熱器管板的優(yōu)化設(shè)計 駱曉玲, 李云花, 張偉（青島科技大學機電工程學院，山東青島266061） 2基于 AN SYS 的 U 型管換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 侯靜, 張亞新, 韓維濤 3Numerical Simulation and Analysis for the U-tube Heat Exchange

9、r of Ground Source Heat Pump CHANG Zhen,GUO Min 4The Optimal Design Process of the Plate Heat Exchanger David T.W. Lin, Ha Thi Xuan Chi, Chong-Ching Chang, Cheng-Chi Wang and Chung-Neng Huang, Member, IEEE 5基于 solidworks 的 U 型管式換熱器管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析 關(guān) 婷，李雪斌，范學群 6New Optimization Method, theAlgorithms of

10、Changes,for Heat Exchanger Design TAM Houkuan1, *, TAM Lapmou1, TAM Sikchung2, CHIO Chouhei2, and GHAJAR Afshin J3 7高壓 U 形管換熱器的管板計算桑如苞 ,徐鳴鏑 8自緊密封 U 型管式換熱器管板的力學行為研究馮永利、林玉娟 9BOG在液化系統(tǒng)低溫換熱器結(jié)構(gòu)強度研究 王業(yè)斌 馮小明 10U型管換熱器大厚度管板的關(guān)口三維有限元應(yīng)力分析 南京化工學院 王牧，成建國，李書臣 11Vertical U-tube Ground Heat Exchanger Design Method Research wang P Y*,Tian H F*,Cao W W* 12自緊密封 U