換熱器應力及變形數值模擬摘要：本文利用有限元軟件模擬換熱器在溫度載荷和重力載荷及其耦合作用下所產生的應力應變情況，得到換熱器的應力和變形的分布規律。為換熱器結構設計改進提供依據。關鍵詞：換熱器，溫度載荷，耦合，應力1、前言:換熱器是石油化工等工業中必不可少的工藝設備，管殼式換熱器仍然是當今應用最廣泛的換熱設備。管殼式換熱器操作時，由于管束和殼體等的溫度不同，結構所用材料有時也不相同，導致熱膨脹不同，從而會產生熱應力，若溫度差較大時，就可能產生較大變形、扭彎、開焊或破裂。在換熱器的設計和生產過程中，傳統的設計方法對換熱器的熱應力和熱變形較難預測。本文利用有限元軟件ANSYS對其進行分析，求出換熱器整體的應力和應變的分布規律，為換熱器的結構設計提供較清晰準確的依據。2、列管式換熱器模型及工作原理1-空氣出口風箱；2-管板1；3-過渡風箱1；4-管板2；5-帶狀插件；6-換熱管；7-空氣進口風箱；8-管板3；9-過渡風箱2；10-管板4；11-過渡風箱3；12-管板51-airoutletbellow;2-tubesheet1;3-transitionalbellow1;4-tubesheet2;5-twistedtape;6-heatexchangetube;7-airinletbellow;8-tubesheet3;9-transitionalbellow2;10-tubesheet4;11-transitionalbellow3;12-tubesheet5圖1列管換熱器結構示意圖Fig.1Structureoftubularheatexchanger如圖1所示，7.53x106kJ/h列管式換熱器由進出口風箱、過渡風箱、管束組

成管程，空氣由進口風箱進入，在列管及風箱內流動，經過3次折返后從出口風箱流出；殼程由管板、墻壁及密封裝置（圖中未畫出）組成，煙氣從左側煙氣進口流入，從右側煙氣出口流出。整個換熱器中，左端與出口風箱相連的一組管子及管板接觸的煙氣溫度最高，且煙氣與空氣溫差最大，所以這一段的熱變形及熱應力也會最大，因此本章只對該段進行數值模擬。在縱向換熱器是關于中心面對稱的，所以建立了左段模型的一半。整個換熱器的重量約為10T，對模型施加如圖2左圖所示的載荷A：重力加速度載荷；施加如圖2左圖所示的約束B：過渡風箱斜面上的位移約束，位移約束Y方向位移為0mm，其它兩個方向自由，以及右圖所示的兩個面上的對稱約束。模型空氣入口處質量流量為:m=0.392kg/s，空氣入口速度為：V]=11.57m/s，煙氣入口溫度為1073K，煙氣入口速度為v2=3.128m/s。圖2模型上的載荷及約束Fig.2Loadsandsupportsofthemodel3、結果分析由于換熱器受到受到重力和熱載荷等多重作用，為了了解各種載荷下的影響，分別對重力和熱載荷單獨進行了應力應變分析，然后在此基礎上對重力和熱載荷的耦合作用進行分析，并對其進行比較。3.1重力單獨作用下的應力及變形分析

36691，lax3.26152.O?i24461』I:StaticStrictvral(ilSTS)EqurdeatStress"yps：Equivalatt(wfses)StressFig.3EquivalentstressdistributioncloudundergravityI.StaticStnctvil(USTS)liredicoall?far*kti<n.TyjelirediaulkEanitiai(IAxisItut■20106-313.0LI-2.CWI-I1.6307』-J12231e7時81539?6B4cm?6QtbdCiardiDittSyrteaTinI201H-314:2510047t-6lu-0KC16SM」-008)33669-0--OOC(E7839IJ-0.0010181-e.ram?o.ooi徹■0.0015276lit一L-力單獨作用下36691，lax3.26152.O?i24461』I:StaticStrictvral(ilSTS)EqurdeatStress"yps：Equivalatt(wfses)StressFig.3EquivalentstressdistributioncloudundergravityI.StaticStnctvil(USTS)liredicoall?far*kti<n.TyjelirediaulkEanitiai(IAxisItut■20106-313.0LI-2.CWI-I1.6307』-J12231e7時81539?6B4cm?6QtbdCiardiDittSyrteaTinI201H-314:2510047t-6lu-0KC16SM」-008)33669-0--OOC(E7839IJ-0.0010181-e.ram?o.ooi徹■0.0015276lit一L-力單獨作用下Y方向變形云圖^^■=1Fig.cloudundergravity3.2溫度載荷單獨作用下應力及變形分析Fig.5Equivalentstressdistributioncloudunderthermalloads圖Fig.6Maximumequivalentstressunderthermalloads以溫度載荷作為體載荷加載到換熱器模型上，求解結果如下。Fig.5Equivalentstressdistributioncloudunderthermalloads圖Fig.6Maximumequivalentstressunderthermalloads從圖5可以看出在溫度載荷單獨作用下模型大部分等效應力約在43394Pa?25.9MPa，風箱與管板的連接處應力值較大約為100MPa，等效應力最大值出現在圖6所示的過渡風箱頂點處，其值為233Mpa。從上述分析結果可以看出溫度載荷所產生的應力比重力載荷所產生的應力普遍要大的多，換熱器所受到的應力主要是由溫度載荷產生的，在換熱器設計中主要考慮溫度對換熱器強度的影響是必要的。

B:StaticStructoral(ASSTS)DirectionalDeformationType：DirectionalReformation(TAxis)Un.it：mGlobalCoordinateSystemTime：12010-B-315:330.011358lax0.0100960.0088330.00757050.011358lax0.0063080.00504550.0037830.00252050.0012580.500圖7溫度載荷單獨作用下Y方向變形云圖0.500Fig.7Y-directiondeformationdistributioncloudunderthermalloads圖形云圖Fig.8Z-directiondeformationdistributioncloudunderthermalloads從圖7可以看出溫度載荷作用下Y方向變形的最大值為11.4mm,處于出口風箱處。從圖8可以看出溫度載荷作用下Z方向變形的最大值為6.1mm，沿Z軸負方向。在溫度載荷影響下，載荷沿豎直方向的變形量比其他方向要大的多，而且重力單獨作用下的Y方向變形量與此相比可以忽略不計，在換熱器結構設計時應主要考慮溫度對變形的影響。圖形云圖Fig.8Z-directiondeformationdistributioncloudunderthermalloads3.3重力載荷和溫度載荷耦合作用下的應力及變形分析載荷為重力載荷和溫度載荷，I:StaticStrvctirtl(A1STS)加valentStrtnlypt：Equvale&tvorlises)StxtssPa120!l>6-315:592.SUMlu23929e82Oe81.7949*6I4成l%8e889W596Be79918e?7M82li>模型約束與前述相同。求解結果如下。 耦合作用下的最大等效應力Fig.10模型約束與前述相同。求解結果如下。 耦合作用下的最大等效應力Fig.10Maximumequivalentstressundergravityandthermalloads圖9重力載荷和溫下的等效應力云圖cloudundergravityandthermalloads從圖9可以看出重力載荷和溫度載荷耦合作用下模型的等效應力大部分在76382Pa?30MPa范圍內。風箱與管板的連接處應力值較大約為100MPa，等效應力最大值出現在如圖10所示的過渡風箱頂點處，其值為269Mpa。以上各數值基本都大于或等于溫度和重力單獨作用的應力值，可見換熱器的應力值應綜合考慮，特別是綜合作用下，過渡風箱頂點處的應力值超過了Q235的屈服強度，但因為只是局部屈服，變形后應力會重新分配，故換熱器仍可以正常使用，實際應用中

需要注意的是此處是否會開焊。0000Hr?cti<aalDefarutm1:StaticStrvctvtlU1STS)(Tkn)anmi6：2iTypeDirectionalSefonutimhitnQobdCMrdinateSysttATi??!001132lu0.00997740.：?863490JXT29240.0099500046C759.0032650.0019225oarscce-BF.00076239li>Y方向變形云圖Fig.11Y-directiondeformationdistributioncloudundergravityandthermalloads3010-6-316:28Q?U1CoareinateSysteaTimIIjj*lirectiondDeftmitiLit■ISttlicStnctird(AISTS)需要注意的是此處是否會開焊。0000Hr?cti<aalDefarutm1:StaticStrvctvtlU1STS)(Tkn)anmi6：2iTypeDirectionalSefonutimhitnQobdCMrdinateSysttATi??!001132lu0.00997740.：?863490JXT29240.0099500046C759.0032650.0019225oarscce-BF.00076239li>Y方向變形云圖Fig.11Y-directiondeformationdistributioncloudundergravityandthermalloads3010-6-316:28Q?U1CoareinateSysteaTimIIjj*lirectiondDeftmitiLit■ISttlicStnctird(AISTS)BiTtctisoalDe:matm1耦合作用下Z方向變形云圖Fig.12Z-directiondeformationdistributioncloudundergravityandthermalloads-0.0)12851-9019276-0.OE5701-0￡032126-0.051402<0057828lin從圖11可以看出重力載荷和溫度載荷耦合作用下Y方向變形的最大值為11.3mm，位于出口風箱處。從圖12可以看出重力載荷和溫度載荷耦合作用下Z方向變形的最大值為5.8mm，沿Z軸負方向。由于載荷耦合作用，以上變形量比溫度載荷單獨作用下變形量要小一點。通過比較還可以看出，變形最大的部位并不是應力最大的部位。可見