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工藝參數(shù)波動對預應力換熱器安全性的影響

文檔作者：郭崇志，周祥，黃巍文檔來源：華南理工大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年09月21日
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工藝參數(shù)波動對預應力換熱器安全性的影響
郭崇志，周祥，黃巍
(華南理工大學，廣東廣州510640)
摘要：采用“分段建模，整體綜合”的模擬方法對殼程E流路和管程流體建模，使得分析模型更加
符合實際。進一步考慮了管殼程工藝參數(shù)波動條件下，折流桿預應力換熱器在僅受預變形、僅受操
作溫度以及預變形和溫度共同作用3種加載工況下的管子與管板接頭應力變化規(guī)律，并在整理大
量數(shù)據(jù)的基礎上給出了預應力換熱器的安全操作區(qū)間，對于指導預應力換熱器設計和應用具有較
大的現(xiàn)實意義。此外，通過預應力換熱器的試驗研究，驗證了模擬結果的可靠性。
關鍵詞：工藝參數(shù)；折流桿換熱器；預應力；安全區(qū)間
中圖分類號：TH123；TQo51．5 文獻標志碼：A 文章編號：1001—4837(2015)01—0009—09
doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2015．01．002
Efect of Process Parameters Fluctuation on Safety
of Pre-stressed Heat Exchanger
GUO Chong—zhi，ZHOU Xiang，HUANG W ei
(South China University of Technology，Guangzhou 5 10640，China)
Abstract：The numerical simulation method named “Simulation in subsections，integration of the whole’’
were used to model shell E flow path and the tube side fluid，which makes the analysis of the model is
consistent with the actual mode1．Process parameters fluctuation of tube side and shell side were further
considered．The analysis of the rod baffle heat exchanger s stress variation is under three kinds of working
condition．They are affected by the pre—deformation load，the temperature load and the pre—deform ation
load and temperature load combination．Safe working range of pre—stressed heat exchanger is given on the
basis of processing large amounts of data．It guides the design and application of pre—stressed heat ex—
changer has great practical significance．In addition，the experimental research on a certain condition of
pre—stressed heat exchanger，proves the reliability of the simulation．
Key words：the process parameters；rod—baffle heat exchanger；pre—deform ation；safe range
0 引言
預應力換熱器的主要目的是降低固定管板管
殼式換熱器溫差應力，為此已經(jīng)開展了一些研究。
文獻[1]運用預應力理論，通過預加與溫差應力
等值的反向應力的方法，克服了普通換熱器工作
時存在的溫差應力，有效地提高了換熱器的使用
可靠性；文獻[2]提出了一種通過施加預應力來
降低運行中的換熱器溫差應力的專利制造技術；
文獻[3]對這種預應力換熱器進行了粗略的計
算，并將結果與普通換熱器進行了對比，得到這種
． q ．
藝參數(shù)波動對預應力換熱器安全性的影響
預應力技術能有效降低換熱器的溫差應力；文獻
[4—5]利用Fluent數(shù)值模擬和ANSYS預拉伸單
元對預應力換熱器進行了分析，并用試驗驗證了
分析結果，表明這種預應力換熱器技術是可靠的。
為了深入研究工藝參數(shù)的改變對預應力換熱器性
能的影響，文獻[6]研究了在固定的管程工藝參
數(shù)下，改變殼程工藝參數(shù)對預應力換熱器性能的
影響，得到了各種應力準則下最佳預變形與流速
的關系式。理論計算模擬和試驗測試均表明，通
過施加預應力降低運行中的換熱器溫差應力的技
術是可靠的。
文中重點研究管、殼程工藝參數(shù)波動對預應
管程
進口
殼程流體進口
力換熱器安全性的影響。在試驗驗證的基礎上，
通過幾百個模擬計算的算例來分析不同管、殼程
工藝參數(shù)發(fā)生波動情況下，預應力換熱器的管板
與管子連接接頭強度性能的變化，及其滿足運行
條件的某些限制準則。
1 建模
1．1 幾何模型gZ-~-藝條件
折流桿固定管板式換熱器結構如圖1所示。
其主要結構尺寸和工藝條件見表1，2。為了得到
管、殼程較大壁溫差，兩種介質的流向為并流。
}_。==j{二j二j 二： 一j 二_一 H
進口導 折流柵 折流柵 折流柵 折流柵；折流柵 折流柵 I
管箱 流筒段 1段 2段 3段 4段 5段：6段 口喜 筒 管箱
表1 主要結構尺寸
圖1 折流桿固定管板式換熱器結構示意
結構參數(shù) 尺寸／mm
管板厚度占 l2
管板外徑 125
導流筒幾何參數(shù) ,／,92 X1 X120
管心距 19
折流桿直徑 3
殼體 擊115×6．5 X1500
表2 主要工藝條件
項目 管程 殼程
介質 飽和蒸汽 自來水
入口溫度／K ~>373 30o
出口溫度 計算確定 計算確定
入 口流速 t>0．5 kg／s 0
． (質量流速) 3 m／s
出口流速 計算確定 計算確定
管程
【葉{口
1．2 模型簡化及單元類型的選取
三維實體模型考慮了實際中存在的E流
路’ ，建立 包含進出口接管、管箱、管板、殼體
和換熱管束的1／2對稱模型。通過設置換熱管為
預拉伸單元，進行熱一結構耦合分析。并將Fluent
計算得到的溫度場加載到ANSYS中進行結構分
析 ”j，分析采用“分段建模，逐段模擬，整體綜
合”的方法 。
1．3 預變形加載及定義路徑
降低或抵消由于管、殼溫差引起的溫差應力，
即抵消管、殼之間的熱膨脹差產(chǎn)生的熱應力而需
要施加預變形。利用ANSYS對給定工藝參數(shù)進
行分析，確定換熱管和管板之間的平均熱膨脹差。
文獻[14]分析結果表明，整體加載時，當每
根換熱管施加熱膨脹變形差時，預應力換熱器性
能最佳，因此，可以將換熱管和管板之間的平均熱
膨脹差近似作為整體加載時最優(yōu)預變形量。
對管板選取兩個路徑進行分析，如圖2所示。
各個路徑均是管板厚度方向的路徑，方向都是從
管程指向殼程，其中路徑1表示中心換熱管與管
板連接的位置；路徑2表示管板與殼體連接位置。

工藝參數(shù)波動對預應力換熱器安全性的影響 VolJ．32 No．1 2015
在整個殼程流速變化范圍，管板與殼體連接區(qū)域
都是安全的。但是在管板中心部位，流速2～3
m／s之間出現(xiàn)局部薄膜應力超標，如果換熱器短
時運行且只是快速通過此區(qū)域，則由于超標幅度
不大，對換熱器管板中心的管子連接區(qū)域性能影
響不大；但如果換熱器長期運行在這個范圍，則可
能導致不安全。由于一次彎曲應力與局部薄膜應
力的疊加，導致管板與管子連接的接頭表面區(qū)域
可能出現(xiàn)局部屈服甚至裂紋。綜上所述，從保守
的觀點來看，可以認為在殼程流速小于2 m／s的
情況下，換熱器是可以保證安全的。
表3 僅受預變形載荷作用，不同殼程入口流速下各路徑強度 MPa
流速／ O
． 2 O．4 O．6 O．8 1 1．9 2 3 5 7
nl·S 限制
f≤ )
路徑 1 2 l 2 1 2 1 2 l 2 1 2 l 2 1 2 l 2 1 2
PⅢ 44 9．3 5l 1O．8 54．8 I1．7 53 I1 52 l2 55 l2 56．5 12．5 52 l3 46 1l 41 lO 140
Pi +p B 154 68． 9 】80 85 】93 93 185 88 207 lO2 209 94 211 98 216 104 188 92 170 82 2l0
P1+p B+Q 】80 104 208 l21 224 13O 215 125 248 141 230 136 234 140 252 144 221 126 197 l12 420
結論 、／ × 、／ × 、／
(2)無預應力、僅受溫度載荷影響(即普通換 應力換熱器工作狀態(tài))結果見表4。
熱器工作狀態(tài))、溫度和預應力載荷共同作用(預
表4 殼程流速波動時預應力換熱器安全區(qū)間
1-藝參數(shù) 工況條件 安全區(qū)間
僅受預變形載荷(安裝狀態(tài)) 0～2 m／s
殼程流速波動 無預應力僅受溫度載荷(普通換熱器狀態(tài)) 0—7 m／s，常規(guī)流速內(nèi)安全
溫度和預應力共同作用(預應力換熱器_r作狀態(tài)) 0～9 m／s，常規(guī)流速內(nèi)安全
2．2 管程入口溫度波動換熱器的影響
(1)僅受預變形載荷作用。
i墅墜 ： 盟 ； 。
~221；+08 967E+08 161E+O9 226E+09 2901']409
圖6 管程人口溫度波動時儀受預變形載荷
工況下應力云圖
圖6示出了其他參數(shù)保持不變情況下，考慮
管程入口溫度 變化的一個結果示例(T=373
- l2 ·
K)，可以看出，最大應力在管板與中心管連接部
位，總體應力 =162 MPa，此外管板與殼體連接
區(qū)域的應力也較大，總體應力 =93．69 MPa。圖
7，8示出了路徑分析結果。
0 0．6O 1．20
離／xlO～mm
圖7 管程入口溫度波動時換熱器選定路徑l
應力強度分布
第32卷第1期 壓 力 容 器 總第266期
c口
豈
2
×
＼
驟
0 0．60 1．20
趴離／×l0 mm
圖8 管程人口溫度波動時換熱器選定路徑2
應力強度分布
表5列出了全部分析結果，可以看出，在此工
況下，在整個管程溫度變化范圍，管板與殼體連接
區(qū)域都是安全的。但是在管板中心部位，溫度
423～443 K之間出現(xiàn)局部薄膜應力超標，如果換
熱器長期運行在這個范圍，則可能導致不安全。
由于一次彎曲應力與局部薄膜應力的疊加，導致
管板與管子連接的接頭表面區(qū)域可能出現(xiàn)局部屈
服甚至裂紋。綜上所述，從保守的觀點來看，可以
認為在管程溫度小于423 K的情況下，換熱器是
可以保證安全的。
(2)無預應力僅受溫度載荷影響、受溫度和
預應力載荷共同作用結果見表6。
表5 僅受預變形載荷作用，不同管程入口溫度下各路徑強度 MPa
溫度／K 373 383 393 403 4 0 413 423 443 限制
路徑 1 2 l 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 (≤)
Pm 39．6 8．41 50．4 1O．6 54 11．5 58．5 12．4 59 l2． 6 59．7 12．7 65 13．8 82．4 l8 140
Pt +P B 140 67 179 84 19l 90 200 98 205 1OO 206 l01 210 lO9 294 l39 210
P L+PB+Q l62 93．7 207 l】9 22l 128 239 l38 242 l40 244 141 265 154 341 204 420
結論 、／ 、v／ 、／ × 、／ × 、／
表6 管程入口溫度波動時預應力換熱器安全區(qū)間
工藝參數(shù) 工況條件 安全區(qū)間
僅受預變形載荷(安裝狀態(tài)) 0～423 K
管程入口溫度波動 無預應力僅受溫度載荷(普通換熱器狀態(tài)) 0～453 K
溫度和預應力共同作用(預應力換熱器工作狀態(tài)) 0～533 K
2．3 管程入口質量流速波動的影響
(1)僅受預變形載荷作用。
_皂盟盟 立盈蓋 盟 !呈 ：：
316E+08 949E+08 l58E+09 222E+09 ．285E+09
圖9 管程人口質量流速波動時僅受預變形載荷
工況下應力云圖
圖9示出了其他參數(shù)保持不變情況下，考慮
管程入口質量流速q變化的一個結果示例(q=
0．5 k s)，可以看出，最大應力在管板與中心管
連接部位，總體應力 =159 MPa，此外管板與殼
體連接區(qū)域的應力也較大，總體應力or=91．99
MPa。圖10，11示出了路徑分析結果。
表7列出了全部分析結果，可以看出在此工
況下，在整個管程質量流速變化范圍，管板與殼體
連接區(qū)域都是安全的。但是在管板中心部位，流
速6—9 kg／s之間出現(xiàn)局部薄膜應力超標。如果
換熱器短時運行且只是快速通過此區(qū)域，則由于
超標幅度不大，對換熱器管板中心的管子連接區(qū)
域性能影響不大；但如果換熱器長期運行在這個
． 13 ．
工藝參數(shù)波動對預應力換熱器安全性的影響
范圍，則可能導致不安全。由于一次彎曲應力與
局部薄膜應力的疊加，導致管板與管子連接的接
頭表面區(qū)域可能出現(xiàn)局部屈服甚至裂紋。
日
窖
_ -
×
黑
0．60 l-20
距離／x 10 rnm
圖10 管程入口質量流速波動時換熱器選定
路徑1應力強度分布
塞
0
_ _
×
暇
0 0．6O 1 2O
離／×10一mm
1 1 管程人口質量流速波動時換熱器選定
路徑2應力強度分布
綜上所述，從保守的觀點來看，可以認為在殼
程流速小于6 kg／s的情況下，換熱器是可以保證
安全的。
表7 僅受預變形載荷作用，不同管程入口質量流速下各路徑強度 MPa
流速／ 0
． 5 0．75 1 1．25 1．5 k 1．75 3 5 5．8 6 7 9
g·s一 限制
(≤)
路徑 1 2 l 2 1 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 1 2
P 38．9 8．3 45．3 9．6 5O．4 l0．6 48．2 l0．3 46．6 10 49．7 lO．6 48 10 49 l2 52 I2．8 53 I3 58 l4 51 I2．5 l40
P| +P B l37 66 160 77 l79 84 170 81 164 79 175 84 202 97 203 97． 7 209 lO5 210 l05 215 114 211 102 2】0
Pt +P B
159 92 185 107 207 l19 197 114 191 110 203 117 235 130 236 134 250 142 254 l45 276 157 246 140 420
+q
結論 、／ × 、／ X 、／ × 、／
(2)無預應力僅受溫度載荷影響、受溫度和 預應力載荷共同作用結果見表8。
表8 管程入口質量流速波動時預應力換熱器安全區(qū)間
工藝參數(shù) 工況條件 安傘 間
僅受預變形載荷(安裝狀態(tài)) 0～6 kg／s
管程入口質量流速波動 無預應力僅受溫度載荷(普通換熱器狀態(tài)) 0—9 k s，常規(guī)質量流速內(nèi)安全
溫度和預應力共同作用(預應力換熱器工作狀態(tài)) 0～10 k s，常規(guī)質量流速內(nèi)安全
2．4 各種工況下的安全區(qū)間總結
由表9可以看出，預應力換熱器的安全范圍
大于普通換熱器，說明預變形載荷對于消除管殼
式換熱器的溫差應力效果顯著，可以大大減小管
板上承受的溫差應力，顯著消除管板與換熱管及
殼體連接處的應力。并且在不同工況下，應該施
加在預應力換熱器上的預變形有不同的最佳值。
只要確定該預變形載荷值，則預應力換熱器應用
到工程實際中，就可以明顯提高換熱器工作時的
可靠性，延長換熱器的有效工作壽命，體現(xiàn)出了預

第32卷第1期 壓 力 容 器 總第266期
0．0004
0
0 0．025
路徑y(tǒng)，mm
圖19 無預應力時路徑Y應變數(shù)據(jù)
0．0004
0．0002
0
路徑X／mm
圖20 預變形量為0．226 mm時路徑 應變數(shù)據(jù)
O 0．025 0．050
路徑Y／mm
圖21 預變形量為0．226 mm時路徑l，應變數(shù)據(jù)
可以看出，試驗測試結果與路徑 的分析結
果吻合度較好，其中，與路徑 相對應的4號應
變片試驗測試數(shù)據(jù)基本保持不變，且與仿真數(shù)據(jù)
差異太大，基本可以判定為壞點，路徑y(tǒng)雖然與
測試結果有一定的偏差，但是偏差不是很大，趨勢
還是與試驗數(shù)據(jù)很吻合。總體而言，試驗中的6
個測點中有5個測點數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)比較吻合，
能夠支撐模擬結果的正確性。由此可見，文中的
分析模型是可靠的，所采用的數(shù)值模擬方法也有
很高的準確性，基于不同管殼程工藝參數(shù)對預應
力換熱器安全性的影響，對于指導預應力換熱器
設計和應用具有很大的現(xiàn)實意義。
4 結論
(1)上述分析表明，當工藝參數(shù)發(fā)生波動時，
同時承受溫度和預變形加載(即預應力)換熱器
安全操作區(qū)間最大。以本文的案例為例，預應力
換熱器的安全操作區(qū)間比常規(guī)同樣條件下操作的
換熱器增大了1．11—1．28倍，這說明，預應力換
熱器比相同條件下操作的換熱器安全性能提高了
1．11—1．28倍。也說明相同條件下，預應力換熱
器具有更大的操作彈性，或具有更大的操作參數(shù)
波動變化的適應能力和更高的運行安全裕度。
(2)文中的分析和驗證表明，當操作工藝參
數(shù)(如管殼程流量、溫度等)發(fā)生變動時，換熱器
的性能參數(shù)會隨之波動或變化。但任何換熱器對
于參數(shù)的波動有明確的閾值限制，這些閾值給出
了合理的操作參數(shù)區(qū)間和危險操作區(qū)域的分界，
對于生產(chǎn)過程操作工藝參數(shù)控制和關鍵換熱器的
安全操作無疑提供了強有力的數(shù)據(jù)保障。而在限
定的閾值范圍內(nèi)操作時，破壞發(fā)生的可能大大降
低，安全性大幅度提高。
(3)通過研究分析可知，在文中研究范圍，普
通換熱器最可能發(fā)生破壞的位置是管子與管板和
管板與殼體連接區(qū)域；而預應力換熱器最可能發(fā)
生破壞的位置是管子與管板的連接區(qū)域。通常都
是由于 +P 應力強度超標而引起的破壞。同
樣操作條件下，預應力換熱器的安全可靠性更高。
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· 17 ·
CPVT 透鏡墊密封螺栓載荷的探討 Vo1．32 No．1 20l5
建模和分析，比較了式(2)所計算的螺栓載荷與
有限元分析的螺栓載荷的差異，同時分析了按
式(2)計算的載荷在滿足透鏡墊密封比壓的情況
下，透鏡墊內(nèi)部材料均處于彈性狀態(tài)。
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收稿日期：2014—10—21 修稿日期：2015—0l—O6
作者簡介：劉國振(1981一)，男，工程師，主要從事壓力容
器設計、審核工作，通信地址：050061河北省 家莊市新
華區(qū)翔翼路6號河北正元化工工程設計有限公司，E—
mail：liuguozhen127@ 163．tom。
(上接第l7頁)
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收稿日期：2014—10—11 修稿日期：2014—12—10
作者簡介：郭崇志(1956一)，男，副教授，主要從事過程裝
備CAD／CAE技術研究工作，通信地址：510640廣東省廣
州市華南理工大學機械與汽車工程學院29號樓323B
室，E—mail：372571334@qq．conl。
通訊作者：周祥(1989一)，男，通信地址：510640廣東省廣
州市華南理：【大學29號樓323B室，E—mail：zhouxiang—
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