1、1非对称管壳式换热器结构分析及改进中的问题研究摘要：换热器主要是用于热交换的通用设备。在这里主要针对非对称管壳式换热器结构分析及改进中的问题研究进行具体的分析。对于管板上管束非对称布置的换热器，无法采用通用的计算方法进行强度校核，只能采用数值求解的方法进行计算。本文即对这种带有异型管板的管壳式换热器，采用有限元数值求解的方法，进行了结构应力分析和设计改进方面的研究，另外，还对相关的强度计算公式进行了理论推导。 介绍了结构温度场有限元分析的基本理论，合理地建立了固定管板式换热器温度场分析有限元模型，计算得到温度场，总结其分布规律，发现结构的各部分之间存在着较大的温差，可能产生较高的温差应力，同时
2、还将该结果同其它边界条件下的计算结果进行了比较。 关键词：非对称管壳式换热器 结构分析 改进 问题研究 换热器广泛应用于我国工农业的各个领域中，在化工装置、炼油装置中，换热器的投资占到设备总投资的 40%左右。管壳式换热器的结构坚固，适应性大，可靠性高，稳定性强，而且其材料的适应范围较广，正是由于这些优点的存在，进一步推进了管壳式换热器的推广与应用。 一、非对称管壳式换热器结构设计 非对称管壳式换热器的结构形式是多种多样，如浮头式、固定管板式、釜式等等，在这些多样化的结构形式中，以管壳式换热器的应用最为广泛，这是因为应结构形式通过对管板与壳体的直接焊接，不仅简单，2而且紧凑，同时，有利于管子之
3、间的相互支撑，强化整体的可靠性。其壳层介质不易结垢，有时虽然也会存在一些结垢，但是其主要应用于化学清洗的场合，以下针对非对称管壳式换热器结构设计进行具体的分析：1.基本结构 通常情况下，一套完整的换热器由很多部件构成，如管板、壳体、法兰、换热管束、前端管箱、后端结构等，下面我们以典型的非对称管壳式换热器结构示意图进行具体的分析：结构中，管板是其中不可缺少的一个重要元件，承受着来自于壳程压力、管程压力以及温度载荷的所引起的热膨胀，同时，换热管束、壳体、管箱也与管板相互连接，并由管板承受着来源于三部件的载荷。因此，对于整个结构设计，管板不仅决定联结构设计的强度是否符合设计要求，而且对制造成本的控制
4、、金属材料的节约以及换热器的安全运行都有着密切的关系。在设计中，大部分的管板都是采用的圆形平板设计，并且在板上设计着诸多管孔，每一个管孔与换热管固定连接。 另外，关于材料方面的设计，通常采用普通钢板、低炭钢、或者是锻造管板来制造，避免换热介质的腐蚀，若是管板较厚，则可以采用复合管板，也有时为了适应高温高压下的机械应力增加以及热应力增加，选用薄管板，如碟形管板、椭圆管板等。同时，要求管板与管子处重要构件的连接，具体的连接形式有三种，即焊接、胀接、胀焊，从而保证其良好的坚固强度与密封性能。 2.管板强度计算 3在实际使用换热器中，经常会遇到法兰与管板部分发生泄漏。为此，对于管板的应力计算就显得尤为
5、重要，这就涉及到一个关于管板强度计算的问题，根据上面的基本力学议程，结合弹性空间问题，建立起一套可以承受横向荷载的有效的板弯曲近似理论，从而推导出挠度弯曲理论。在实际的处理时，由于不同的方法其差异性较大，为此可以通过对弹性模量与松泊比的值来分析，从而获得更为准确的强度值。某固定管板的管壳式换热器，其管板上的管束非轴对称布置，不能用规范中的计算公式进行强度校核。同时，由于仅壳程的上半部有换热管束，高温物料流入壳程后，引起管板和壳体之间较大的温度差，进而会产生温差应力，规范中的公式也无法计算。同时，考虑到结构的形状和受力都较复杂，而规 范中的计算公式对这些因素进行了简化处理，在这种情况下，采用有限
6、元数值计算是较好的办法。 二、非对称管壳式换热器结构改进 为了更好地提升非对称管壳式换热器的工作性能，需要对结构设计进行进一步的改进处理，根据以上分析我们知道，换热器结构中管板作为其中不可缺少的一个重要元件，一方面，承受着来自于壳程压力、管程压力以及温度载荷的所引起的热膨胀，另一方面还承受着来源于换热管束、壳体、管箱也与管板相互连接所产生的载荷。因此，在结构改进设计时，需要从以下几点入手： 首先要根据设计准则，准确计算出管板中的弹性应力，采用结构力学中的“力法”强化管板强度分析，将各个部件之间的基本未知量列出来，给出每个部件之间内力素关系式，充分考虑其变形协调条件，组成4一个变形协调方程组，进
7、行就可以准确地得到管板内的应力，同时，根据计算结果，优化材料方面的设计，如经常所用到的普通钢板、低炭钢、或者是锻造管板来制造，在实际选择时，一定要根据相关要求，选择最为合理的材料，避免换热介质的腐蚀，并且满足机械应力增加以及热应力增加的需求，保证其良好的坚固强度与稳定性能。 其次是有限元件分析，由于管板与壳体相连接，所以必须要进行管板强度计算，将所有的元件作为一个整体，进行具体的分析，计算出垫片力与螺栓力，避免法兰与管板部分发生泄漏，使得管板的应力计算更为精确，优化管板强度计算，并且以弹性力学的经典理论为参照，计算出开孔区的当量压力。另外，对于折流板间距的控制，要求其间距小，使得通道面积减小，
8、从而加快流速，强化换热效果，提高传热效果；要根据设计要求，增加管程数，提高对管程介质的换热，确定合理的壳体分程，确保档管或档板等防短路结构的科学设置，针对不同介质及换热工况，还可采用特殊换热管，采用合适的导流形式避免死角，提高换热效果，优化使壳体介质的流动效果。 此外，要通过对正常工作情况下的所有载荷的分析，确定合理的结构应力，综合比较各项内部的有限元件，应用结构内力计算方法，结合科学的强度校核方式，改进换热器的设计，提高设备的稳定性，满足生产工艺的要求和强度要求。 通过以上改进措施，优化整个非对称管壳式换热器结构设计，使结构设计的强度符合设计要求，而且可以加强制造成本的控制，确保金属材料的节
9、约，换热器的安全运行。 5三、总结 总而言之，非对称管壳式换热器结构分析及改进中的问题研究，根据蒸汽参数，进行热平衡计算，计算制水量、造水比、设定顶温和末效凝结温度，合理设定效数和预设换热系数，同时，根据热平衡计算，设计结构，并预定所有结构参数，与此同时，还要通过热力计算，准确分析换热器的结构应力，修改并确定所有计算参数和结构参数，使其成功应于工程实际中，以便取得良好的经济效益。 参考文献 1刘天丰. 非对称管壳式换热器结构分析及改进中的问题研究D.浙江大学，2005. 2刘天丰，陈建良，林兴华. 非对称管壳式换热器的三维有限元结构分析J. 压力容器，2009， （08）：27-31. 3胡玉红. 管壳式换热器弹塑性有限元分析若干问题研究D.大庆石油学院，2010. 4曾文良. 大型轴流管壳式换热器流动与传热的若干关键问题研究D.华南理工大学，2009. 5马龙潭. 管壳式换热器计算机辅助设计与优化研究D.山东大学，2012.
