（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京）利用有限元分析軟件ANSYS對扭管式換熱器管板在三種工況下的應(yīng)力進(jìn)行了計算，分析了軸向剛度弱化的影響扭管對管板應(yīng)力強(qiáng)度的影響系數(shù)及軸向應(yīng)力對扭管的影響。 結(jié)果表明，扭絞管的軸向變形補(bǔ)償能力比普通直管差，可以降低管板在溫差載荷作用下的應(yīng)力，但會增加管子的分布不均受壓截面，局部軸向應(yīng)力遠(yuǎn)高于平均應(yīng)力水平，因此扭絞管的抗疲勞和應(yīng)力腐蝕開裂能力不如直管。 不同厚度的管板受扭曲管束軸向剛度的影響不同，管板厚度越小，彎曲管束的軸向剛度受到的影響越大。 關(guān)鍵詞：扭管； 有限元; 應(yīng)力強(qiáng)度 CLC 編號：文檔代碼：文章編號：：。 ，，，， 中國）：。 ． ,,. ，發(fā)束，-s。 , heet, -:;;s; 基金項目：國家科技支撐計劃（）CPVT扭管式換熱器管板有限元分析Vol31． 引言傳熱過程是石油和化工行業(yè)中必不可少的環(huán)節(jié)。 分別計算了如何在保證安全可靠的前提下提高30、40、50mm管板的傳熱性能換熱器管板與不銹鋼換熱管，并比較了扭曲管束對不同厚度管板強(qiáng)度的影響程度。

同時選用了一系列具有軸向剛度弱化系數(shù)的絞管（絞管剛度弱化系數(shù)表示設(shè)備的傳熱性能因直管軸向剛度減弱而減弱加工成扭絞管后，強(qiáng)調(diào)低碳環(huán)保，在越來越嚴(yán)重的今天，其中，近年來出現(xiàn)了很多強(qiáng)化傳熱的換熱管型式，扭絞管就是其中一種對它們進(jìn)行了改進(jìn)，具有強(qiáng)化傳熱、減少結(jié)垢、管束間自支撐、無折流板元件、節(jié)省空間、同時可以克服誘發(fā)振動等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于商業(yè)機(jī)密等原因，國外關(guān)于扭管換熱器的研究文獻(xiàn)很少，20世紀(jì)90年代以來，我國學(xué)者對扭管換熱器進(jìn)行了一些理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究，但這些研究都集中在扭管換熱器的傳熱和流阻性能上，而對扭管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承壓能力的報道較少，其軸向剛度低于直管管子。 因此，扭管對管板的支撐作用也不同于傳統(tǒng)的管殼式換熱器。 本文采用有限元分析軟件ANSYS對扭絞管換熱器管板組件進(jìn)行受力分析，并對不同軸向剛度的扭絞管與管板進(jìn)行對比。 同時指出了扭管式換熱器在設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題。 扭管式換熱器的結(jié)構(gòu)主要由管程箱體、殼程殼體、管板和管束組成。 普通固定管板換熱器基本相同，區(qū)別主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：絞管式換熱器的換熱管為截面為橢圓形或長方形的螺旋管，具有強(qiáng)化傳熱特性； 管束之間無需設(shè)置擋板，擋板自承。

同時，管程和殼程流體分別在螺旋管內(nèi)和管間的螺旋流道內(nèi)流動。 流體呈螺旋運(yùn)動，促進(jìn)了湍流程度，基本消除了流動死區(qū)。 具有自潔特性700mm，壁厚10mm，材質(zhì)Q345R； 換熱管長度為344，材質(zhì)為16Mn鍛件。 考慮到不同厚度的管板由于其剛度不同可能會受到扭絞管束軸向剛度的影響不同，本文將厚度為20、42且剛度相同的扭絞管板的應(yīng)力減弱對系數(shù)進(jìn)行分析，并將其納入扭管式換熱器管板的有限元模型中。 本文主要分析扭管式換熱器管板組件的應(yīng)力強(qiáng)度，故僅選取換熱器的管板、殼程筒體和管束建立有限元模型，其中管子-片材部分采用實體造型，網(wǎng)格劃分為單元； 由于殼程筒體和絞合管束為薄壁結(jié)構(gòu)，且換熱管數(shù)量多，殼程筒體和絞合管束采用單元網(wǎng)格劃分，實體單元和殼單元為使用 MPC 方法 [10] 連接。 忽略換熱管在管側(cè)的延伸長度，認(rèn)為管子與管板直接連接為一個整體。 由于固定管板殼管式換熱器結(jié)構(gòu)整體對稱，本文選取換熱器結(jié)構(gòu)建立有限元模型[11]。 有限元幾何模型對有限元幾何模型的每個對稱平面施加對稱約束。

由于扭管為螺旋結(jié)構(gòu)，在長度方向上不可能是對稱結(jié)構(gòu)，因此在提取扭管應(yīng)力結(jié)果時，避開了施加對稱約束的扭管端部。 本文考察了管程壓力、殼程壓力和溫差載荷的單一效應(yīng)，單位為MPa，殼程壓力MPa，管程設(shè)計溫度為70℃，溫度為120℃，熱平均溫度交換管束金屬為 54 °C。 筒體金屬平均溫度為92℃，扭管內(nèi)側(cè)承受管程壓力，殼程筒體和扭管外側(cè)承受殼程壓力，工況下墊片壓縮力為應(yīng)用于法蘭密封面； 殼程溫度施加于殼程，環(huán)境溫度施加于管板外側(cè)。 對管板進(jìn)行了徑向應(yīng)力分析計算，得到了該工況下管板的應(yīng)力計算結(jié)果。 為了進(jìn)一步分析管板各部分沿管板厚度方向的應(yīng)力，根據(jù)壓力容器分析設(shè)計的方法，將管板沿厚度方向的應(yīng)力以應(yīng)力強(qiáng)度為參數(shù)進(jìn)行線性化處理. 為此，在模型上定義了3條路徑，分別位于管板中心、配管區(qū)域、非配管區(qū)域、管板與殼筒連接區(qū)域，如圖圖。 通過比較薄膜應(yīng)力和管板路徑上的彎曲應(yīng)力的大小，分析了扭曲管的軸向剛度對管板強(qiáng)度的影響。 厚度為30 mm時，可以看出，對于本文所研究的換熱器，當(dāng)只有溫差載荷作用時，扭管的軸向剛度下降（SINT），并且這種影響隨著軸向剛度的增加而減小。系數(shù)越小，越明顯。 這是因為扭曲管的變形補(bǔ)償能力會隨著其軸向剛度的降低而增加，而溫差應(yīng)力是由于管側(cè)溫差和金屬熱變形的差異引起的。殼面。 因此，扭曲管的變形補(bǔ)償能力可以降低管束系統(tǒng)熱變形的不協(xié)調(diào)程度，提高管板的受力。

僅受溫差載荷影響時，管板應(yīng)力強(qiáng)度隨扭管剛度弱化系數(shù)的變化而變化。 強(qiáng)度隨扭管剛度弱化系數(shù)的變化 43 CPVT 扭管換熱器管板有限元分析 Vol31. 管板的應(yīng)力強(qiáng)度隨著扭管軸向剛度的降低而增大，特別是在鋪管區(qū)和非鋪管區(qū)（路徑。承載能力強(qiáng)，但其對管板的支撐作用也必須降低. 管板中心的應(yīng)力強(qiáng)度幾乎不變，因為周圍管束的支撐作用足夠大。普通的固定管板換熱器，由于管子的金屬截面是相等的，扭管的平均應(yīng)力與普通直管相差不大。同理，以殼程壓力單獨(dú)作用的情況為例例如，扭管和直管都在管殼與管板連接處附近的管束外側(cè)承受壓應(yīng)力，在管中心附近的管束內(nèi)側(cè)承受拉應(yīng)力然而，扭管軸向應(yīng)力在管截面上分布不均勻，且這種不均勻程度隨著扭管軸向剛度弱化系數(shù)的減小而增大，使得局部軸向應(yīng)力扭管的軸向平均應(yīng)力要高得多。

計算還發(fā)現(xiàn)，扭管的捻比越大，導(dǎo)程越小，扭管的軸向應(yīng)力分布越不均勻，這主要是扭管特殊的幾何形狀造成的，因此在設(shè)計時扭管式換熱器一方面要考慮扭管的強(qiáng)化傳熱效果； 另一方面，要控制扭管的局部高應(yīng)力，使其不超過材料的允許極限，以免發(fā)生開裂或疲勞或應(yīng)力腐蝕失效。 捻比和引線參數(shù)非常重要。 圖 6和圖 7分別為普通直管和帶剛度弱化系數(shù)的扭管在單獨(dú)殼程壓力作用下的軸向應(yīng)力分布。 僅施加殼側(cè)壓力時普通直管中的軸向應(yīng)力分布 44 僅施加殼側(cè)壓力時扭曲管中的軸向應(yīng)力分布 管板軸向剛度對不同厚度管板強(qiáng)度的影響不同，并選擇扭曲比為0。對板厚為20、30、40、50 mm的扭曲管換熱器模型進(jìn)行分析計算，得到受影響最大的管板管道的薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力值以與普通直管換熱器為例，三種工況下的對比結(jié)果如圖10所示。當(dāng)僅承受溫差載荷時，管板的應(yīng)力強(qiáng)度隨厚度變化的管板。 可以看出，當(dāng)只承受溫差載荷時，對于任意厚度的管板，與普通直管相比，扭管可以減小管板的厚度。 管板上的應(yīng)力強(qiáng)度大，管板厚度越小，壓下程度越大。

從圖9和圖10可以看出，當(dāng)只施加壓力載荷時，對于任意厚度的管板，與普通直管相比，扭管可以增加管板上的應(yīng)力強(qiáng)度，厚度管板增加值越小換熱器管板與不銹鋼換熱管，差異越大。 原因是管板厚度越小，管束的支撐作用越突出。 10 僅在管側(cè)受壓時，由于扭管的軸向剛度較小，管板的應(yīng)力強(qiáng)度高于普通直管。 如果管板的應(yīng)力是由溫差載荷引起的，采用扭絞管作為換熱管可以改善管板的應(yīng)力； 如果管板應(yīng)力是由壓力載荷引起的，使用扭管作為換熱管會增加管板的應(yīng)力； 扭管上的平均應(yīng)力與普通直管相差不大，受力趨勢相同； 然而，扭絞管的軸向應(yīng)力在管子截面上分布不均勻，局部軸向應(yīng)力遠(yuǎn)高于平均應(yīng)力水平，這意味著扭絞管的管材抗疲勞和應(yīng)力腐蝕的能力開裂不如直管。 因此，螺旋管的設(shè)計不僅要考慮強(qiáng)化傳熱的效果，還要考慮強(qiáng)度的弱化程度； 不同厚度的管板受扭曲管束軸向剛度的影響不同。 當(dāng)管板厚度較小時，扭曲管束的軸向剛度影響較大。 參考文獻(xiàn)：螺旋扭曲扁管換熱器的研究進(jìn)展及工業(yè)應(yīng)用［J］． 流體機(jī)械, 2010, 38 扭曲管內(nèi)傳熱與流動特性的數(shù)值模擬［J］． 流體機(jī)械, 2012, 40 新型高效絞管雙殼換熱器的研制［J］． 壓力容器，2014，31 侯銀燕，李偉。 水平螺旋扁管內(nèi)含氣汽油蒸氣冷凝螺旋絞扁管換熱器殼程湍流傳熱數(shù)值分析［J］． 火力發(fā)電，2007 扭曲橢圓管換熱器殼程強(qiáng)化傳熱特性［J］． 化學(xué)學(xué)報, 2012, 63 波紋管換熱器管板強(qiáng)度計算方法［J］． 壓力容器，2007，24 過程裝備與控制工程，第十三屆全國高中過程裝備與控制工程專業(yè)教學(xué)與研究交流會論文集 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013 多點(diǎn)約束（MPC）方法與變換整體有限元加熱器分析［J］． 壓力容器，2013，30 [11] 胡錫文，林興華． 管殼式換熱器管板有限元分析 收稿日期：2014年17 修訂日期：2014年20 作者簡，女，主要從事壓力容器安全可靠性研究，通訊地址：朝陽區(qū)北三環(huán), 北京化工大學(xué)北京機(jī)電工程學(xué)院, 北京東路15號, Email: com. 45