基于流固耦合的管壳式换热器热力学计算研究

针对管壳式换热器存在的由于管壳程温差过大而在管板等处产生过大应力梯度的问题,建立典型换热器单元,基于流固耦合和传热理论,采用有限元法和有限体积法,分析研究管壳式换热器的传热特点、流体动力学特性以及管壳式换热器筒体、管板、管箱等结构的温度分布特点。并以此作为温度载荷,研究换热器金属结构的热应力分布情况,取不同路径观察换热器应力集中区域的应力变化,得出换热管、管板以及筒体连接区域的应力分布特性,实现了换热器流体流动、耦合传热以及应力计算的综合分析。     

固定管板式换热器管板的热结构耦合分析

管壳式换热器是石油化学工业中最常见的设备。而管板的合理设计对提高固定管板式换热器的安全性、节约材料、降低制造成本具有重要意义。文章采用有限元分析软件ANSYS对在内压和热应力共同作用下的某管板结构进行了热结构耦合分析,与仅进行机械应力分析的应力强度分布进行了对比,结果表明:这种温差应力将与管壳程流体压力造成的机械应力叠加且在应力较高时则会在固定管板式换热器的不同部位造成不同形式的失效。     

换热器进口管箱流场的数值分析与应用

采用计算流体力学方法，对管壳式换热器进口管箱内流场进行数值分析，模拟结果清晰地显示出管箱内流体流动状况，可用于分析管子与管板连接接头发生冲蚀和泄漏，以及不同区域的管子换热强度不同的原因。应用数值分析方法提出了锥形导流筒结构，明显地改善了管箱内流体流动和压力分布的均匀性，有利于提高换热器的总传热性能。     

基于数值计算方法的换热器管板等效方法研究

换热器管板等效方法影响到管板受力变形计算的准确性。以管壳式换热器为例,分别建立了开孔管板结构、共用节点的实心管板结构和主从节点绑定的实心管板结构有限元模型。采用数值计算方法,对管板的应力和变形进行了分析。有限元计算结果表明:采用主从节点绑定的实心管板结构与开孔管板结构变形最大相对误差为8.4%、孔边应力相对误差超过60%,说明主从节点绑定的实心管板结构仅可准确描述管板的变形。通过对比分析主从节点绑定的实心管板结构与开孔管板结构开孔区域应力分布,得到开孔边缘的应力集中系数为约3,开孔中部的应力集中系数约为2。     

管壳式废热锅炉挠性管板强度设计分析

介绍挠性管板的特点及结构型式,对典型的管壳式废热锅炉挠性管板进行应力分析,得出管板强度计算的危险工况(内压与温差组合的工况)。应用GB 150-2011、GB/T 151-2014和西德AD规范中的计算方法进行挠性管板的强度计算时,管板厚度还应考虑制造、安装及运输的要求。在确定挠性管板厚度时,须根据标准JB/T 4732-1995(2005年确认)进行管板圆弧过渡区转角应力评定。     

基于ANSYS的非对称管板强度分析及优化设计

以非对称管板换热器为研究对象,借助ANSYS有限元分析软件,引入7种操作工况,对管板进行静力学分析和热分析,并进行安全评定和优化设计.结果表明:布管处管板与壳体连接处应力远大于非布管处管板应力,由于温差应力的影响,正常工作工况壳程最大等效应力远大于瞬态工况最大等效应力,容易发生强度失效;对于工况四、工况五、工况六、工况七而言,Path4-4已经不能满足强度要求,需要对其进行优化设计;经过优化,选取管板厚度为43.313 mm,应力强度110.42 MPa,安全系数2.264.优化后,非对称管板换热器整体材料节省了20％,减少了生产成本,设计结果更加合理.     

换热器壳体不均匀温度场的热应力解析分析

为了评估固定管板式换热器壳程圆筒体的安全强度,针对换热器壳体中的周向、轴向和径向三维不均匀温度场,总结了根据各自一维温度场模型由相应的解析式求解其热应力的方法。该方法简单易行、安全可靠,可便捷地得到比通常有限元应力分析方法更经济合理的设计结果。案例分析表明,一般的换热器圆筒体周向温差引起的轴向热应力大于轴向温差引起的轴向热应力,且该轴向应力可能出现拉应力和压应力交替间隔分布的状况。     

基于Fluent的管壳式换热器壳程流体流动与传热数值模拟

采用Fluent参数化建模方法建立了管壳式换热器的参数化模型。利用Fluent软件,对管壳式换热器壳程流体的流动与传热进行了数值模拟计算,得到了不同折流板缺口高度及入口流量情况下换热器壳程流体的温度场和压力场,给出了缺口高度在0.2D~0.4D变化时换热器的性能曲线,得到了最优缺口高度,并对换热器的结构优化提出了改进措施。     

带蒸发空间的废热锅炉挠性管板设计的探讨

废热锅炉是利用工业生产过程中的余热生产饱和蒸汽的换热器。废热锅炉的结构通常可分为壳程自带蒸发空间和顶部设计汽包两种形式。废热锅炉的设计总体采用常规设计方法,挠性管板采用应力分析设计方法进行局部应力分析。本文依据《石油化工管壳式余热锅炉》(SH/T 3158—2009)对一台带蒸发空间的废热锅炉的挠性管板进行设计计算并采用有限元分析软件ANSYS对该废热锅炉挠性管板进行应力分析,分析中,对三个危险截面划路径,进行应力线性化处理和强度评定,结果表明,当挠性管板厚度取根据SH/T 3158—2009设计厚度圆整值时,挠性管板应力评定不合格。增加管板厚度后,重新对两种工况下的管板进行应力分析,结论合格。通过计算分析对比,建议对带蒸发空间的废热锅炉的挠性管板进行设计时,应采用有限元分析对挠性管板进行设计,以保证废热锅炉的安全稳定运行。     

双管板换热器的结构设计

双管板换热器为管壳式换热器的一种特殊结构。对一台固定双管板式换热器的结构设计和强度计算进行了阐述,其中包括选材、布管、管板的结构和间距、胀管和开槽尺寸等方面的设计和计算。     

换热器流固传热边界数值模拟温度场的顺序耦合方法

通过建立由壳体、管板和换热管等组成的换热器有限元分析模型,使用FLUENT生成的CDB文件和ANSYS本身的物理场进行耦合,把外部CBD边界条件映射到ANSYS模型上。先利用"分段建模,整体综合"技术,从实现换热器的工艺热分析的角度考虑,由FLUENT软件得到换热器整体温度场,输出得到了包含固体表面节点、单元和温度载荷等信息的CDB文件,然后利用温度场顺序耦合的思想,利用由FLUENT得到的结构温度场边界,在ANSYS软件中取节点文件并求解,创建结构热分析所需的结构温度场。比对CFD结果和有限元结果可知,两者温度场的分布没有差别,此耦合过程中没有出现失真现象,这为研究换热器的温差应力分析提供了可靠的依据。     

换热器结构对传热有效度的影响

本文在传热方程中采用算术平均温差,改进了换热器模型,对管壳式换热器内温度分布以及结构对传热有效度的影响进行了数值分析,并和Gaddis的模型做了比较。     

固定管板式换热器应力分析和疲劳分析

介绍了某固定管板式换热器压力温度循环条件,建立热分析和结构分析的有限元模型,计算得出管板的温度场和应力场,进行应力分析和疲劳分析。     

复杂载荷作用下管壳式换热器管板的应力和疲劳分析

以某项目中承受压力及温度双循环载荷的换热器为例,应用有限元分析技术,对管壳式换热器管板在交变的压力和温度载荷共同作用下进行应力及疲劳分析。根据其应力分布特点,分析交变的压力与温度载荷对管板产生的影响。     

管壳式换热器固定管板应力计算时有关系数的处理

为了便于计算机编程计算, 采用曲线拟合和寻求原始公式的方法, 对管壳式换热器固定管板应力计算所用到的９ 个系数的线图进行了处理。     

折流板切口方向对管壳式换热器传热性能影响

为了研究单弓形折流板的切口方向对管壳式换热器传热与流动性能的影响,文中通过建立3个不同折流板切口方向的管壳式换热器简化实体模型,运用CFD软件Fluent对管壳式换热器壳程传热与流动状态进行了三维数值模拟。以水为壳程流体介质,在不断改变壳程进口流速,使得壳程进口雷诺数Re在10 000到70 000范围内变化时,得到了不同状态下的壳程流场与温度场。根据数值模拟结果,以总传热系数α,壳程总压降Δp以及单位压降下的传热系数α/Δp作为综合衡量标准,分析不同折流板切口方向时的管壳式换热器壳程流场与温度场。数值模拟分析结果表明:折流板为垂直切口方向时,管壳式换热器总传热系数最大,压降最小,综合性能最好,另外2种折流板切口方向的管壳式换热器综合性能差不多。     

基于FLUENT的管壳式换热器数值模拟研究

利用GAMBIT软件,建立管壳式换热器壳程流场简化模型,进行网格划分并设定各边界;利用FLUENT软件,进行有限元计算。通过设定求解器类型、具体边界条件值以及松弛因子,对模型进行迭代计算。对壳程流体的压力场、温度场和速度场的特点进行了分析,可为管壳式换热器的设计和使用提供参考。     

高温高压下两种大温差换热器结构的对比分析

介绍了高温高压工况下两种管程进出口温差较大的管壳式换热器换热管的布置与结构。一种根据管板应力大小分布区域,用类似喷泉式结构的布管形式来调整管板上高温进口和低温出口的位置,减少管板径向温差引起的热应力;一种通过管插管的刺刀式结构,高温介质由内管流入,经换热后从管间间隙流出,从而降低管板的金属壁温。两种结构均减小了管板厚度、降低制造成本,提高设备运行的可靠性。     

ASME与TEMA标准U形管换热器管板计算方法的比较

U形管换热器是石油化工、能源等行业常用的管壳式换热器结构型式之一。本文通过对ASME和TEMA两大标准中U形管换热器管板设计计算方法进行细致的分析比较,介绍了ASME及TEMA中U形管换热器管板设计计算的背景及具体应用。     

列管式反应器管板的应力计算

水冷甲醇反应器是煤化工中的重要设备,此设备的结构为列管式反应器,其上下管板结构的特点类似于固定管板式换热器,即管板与管壳程筒体均焊接的NEN型固定管板换热器.随着装置大型化的发展,此类设备使用单纯的理论解析公式无法得到准确的结果.以某台大直径水冷甲醇反应器为例,对其进行应力分析计算,以得到在不同工况下管板的强度、换热管的强度与稳定性,并对其进行评定.计算过程及结果对于设备大型化所带来的计算方法不足和计算精度不足的问题,给出了工程指导.