带膨胀节之固定管板型换热器有限元概述

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1、带膨胀节之固定管板型换热器有限元概述第1章绪论1.1课题本课题为对某苯甲苯再沸器整体结构及相关部件进行有限元应力分析。该换热器设有膨胀节，换热器管板与筒体壳程、管程的连接方式为全焊透，所以温度对换热器的受力影响较大。故本文将对换热器整体和换热器管板、膨胀节等在包含热应力在内的多种载荷工况组合下的应力强度进行分析。.1.2论文选题的目的和意义换热器在石油化工、食品、电力等重、轻工业领域占有重要地位，在生产生活中也有至关重要的作用。在化工生产中，换热器还关系到与生产相关的费用及操作的正常运行。在生活中，换热器也会得到很大程度的利用，如锅炉等。一般在公司的投资建厂中，化工厂投资换热器大约

2、占总投资的10%~20%；而炼油厂投资换热器大约占总工艺设备的35%~40%[1]~[3]。管板是管壳式换热器的主要部件，作用也是非常重要的，管板在生产中受到的应力大小往往成为整台设备能否安全生产的决定因素。管板对换热管的排布起重要作用，它能将管程和壳程的冷、热流体分离开，避免它们互相混合。管板同时受到管程、壳程压力和由管壳程温度差引起的热应力的影响[4]。在设备正常运行中，热应力对管板的影响较大，而在壳体上加设膨胀节是减小热应力的一种非常有效的方法。准确的分析管板的受力状态，对保证换热器安全生产、节约生产所需要的原料、降低生产成本等起着至关重要的作用[5]。对带膨胀节的固定管板式

3、换热器进行整体及局部应力分析，可以了解换热器安全稳定运行的必要条件，以对换热器的结构进行更好的改造，这对于提高换热器换热效率、确保使用安全、提高使用寿命等都具有非常重要的意义[6][7]。U型膨胀节是为补偿因管壳程温度差引起的热应力而设置在换热器壳体上的一种挠性结构。它能够吸收轴向、横向产生的应力，具有质量轻、柔韧性好、耐高温、耐腐蚀、不易老化、承压能力高、使用年限长等众多优点[8][9]。通过对带膨胀节的固定管板换热器整体、管板及膨胀节进行应力分析，确定换热器设置膨胀节的必要性，并了解管板与膨胀节在机械载荷及热应力作用下的相互影响，分析耳式支座设置在立式固定管板式换热器中对壳壁产

4、生的影响，对了解换热器安全稳定运行的条件有重要意义[10][11]。随着全球科技的迅速发展，计算机技术在工程运算等领域的普遍应用，有限元计算方法已经被人们广泛认识并大量使用[12]。实践证实，有限元方法的一种可靠的数值模拟仿真技术，用它来分析、设计、验证固定管板式换热器是现实，它能使工程设计、校核更加方便、更加节省时间，能生成更显著的经济效益[13]。因此，本课题选用有限元方法分析研究带膨胀节的固定管板式换热器，对更深入的了解换热器及其各部件的受力分布规律有非常重要的意义。.第2章换热器有限元模型的建立2.1换热器基本参数换热器各部件的材料可以认为是各向同性的[39]。换热器整体模

5、型模拟计算共需定义5种材料属性。其属性全部为设计温度下查得；由于换热管在高低温度下（290℃到150℃）物理常数差异不大，并且为了简化换热管，其使用的物理常数由平均温度220℃下查得。需定义的材料数据主要有弹性模量、泊松比、热膨胀系数、热传导系数等[40]。运用有限元数值分析法进行分析的基本原理是将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域，并通过它们边界上的节点相互连接成为结合体[43]。近三十年来有限元数值分析方法在理论和实际的应用上都得到了广泛的发展。它可以解决的问题已经由弹塑性力学的平面扩展到了空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到了稳定问题、动力问题和波动问题。分析的

6、对象从弹性材料扩展到塑性和复合材料等，从固态力学扩展到流体力学、传热学等连续介质的力学领域[44]。有限元数值分析法是对相对复杂的结构运行分析的一种准确可靠的数学方法，在当今各设计、分析、生产等工程领域内被广泛使用，在工程分析中的作用也从分析和校核被扩展到了设备等在设计上的优化，并成为辅助工程计算的一种重要的计算方式[45]。.2.2模型简化为了更准确的模拟换热器所受应力状况，建立包括管板、换热管、壳体、膨胀节、耳座等在内的整体四分之一模型，不再根据边缘效应[41]的影响对四分之一模型进行过度简化。进行简化时要考虑到的问题主要有以下几点：1）不考虑材料等的各向非同性，忽略对整体影响

7、很小的不确定因素，将模型视为轴对称模型。2）每根换热管中的流体流动状态基本相同，因此认为每根换热管的轴向温度分布大致相同[42]；3）换热管与管板采用强度胀接方式连接，建立模型时可认为换热管与管板己达到接近一体的程度(材料可以不同)，合理假设彼此单元是紧密接触的，不考虑接触中产生的细节问题；4）两种管板均等效为均匀的等厚度带孔圆平板，忽略其与壳体及换热管焊接处的变化。5）不考虑膨胀节与壳体连接时存在的间隙，认为彼此之间紧密贴合在一起，即只有均匀并且细微的间隙。6）由于