固定管板式换热器耦合场研究和结构优化

【摘要】： 换热器是进行热交换操作的通用设备。本文详细介绍了换热器的发展以及最新研究进展,概括了固定管板式换热器通用强度计算理论方法。传统设计分析方法在计算过程中存在无法克服的缺陷,本文采用有限元分析方法以及分析设计理论对管板式换热器进行强度分析以及校核。 固定管板式换热器结构复杂,各种零部件具有高度不连续性。本文以某石化硫磺车间某换热器为研究背景,分析该换热器失效特征原因,由于换热器受压力载荷以及热载荷的双重作用,故而对其耦合场的研究尤为重要,对于该种类型换热器的研究也有很大借鉴意义。 本文采用ANSYS软件作为分析基础,使用APDL命令对该换热器整体三维建模。针对实际操作过程中出现的各种工况进行分类,按照载荷种类及危险程度进行强度分析,分别得到了每一工况下的危险应力大小及强度验证结果。并通过划定的路径分析结果,得到了在力学载荷、温度载荷以及耦合载荷下换热器整体受力模型以及各种应力变化规律,以及最大管束拉脱力大小。 通过强度分析校核结果,发现在该换热器实际操作过程中,确实出现了各种工况强度校核不合格的现象。本文在此基础上,提出了两种结构优化方法。一种是增大管板与管箱筒体以及管程筒体连接区过渡圆角,发现能很好的改善一次应力及峰值应力的分布,并且能降低管束拉脱力;另一种是减少管板厚度,针对该换热器高温低压的操作环境,减少厚度能有效削弱热应力作用。最后得到合适的圆角以及管板厚度,并进行了强度验证,发现优化结果能满足设计强度要求。