U形管换热器管板的优化设计

U形管换热器管板的优化设计1概述管壳式换热器换热是为了实现物料之间的热量传递过程的一类设备，它在化工、能源、动力医药装置设备中应用最为广泛,因为管壳式换热器的结构非常坚固,并且能够选择多种材料进行制造,所以适应能力极强,尤其是在高温、高压和大型装置中得到了普遍性的应用。【1】在管壳式换热器的各种型式中，U形管式换热器具有结构简单紧密、密封性能好、金属消耗小、制造价格低、热补偿性好、承压能力强等诸多优点，适用于高温、高压等工况。U形管换热器的结构设计须要考虑材料、温度、压力、结垢情况、壁温差、流体性质以及检修与清理等多种因素，综合上述因素才能考虑来设计其结构形式。[2]1-分程隔板；2-管箱；3-筒体；4-纵向隔板；5-U形管；6-椭圆封头；7-拉杆；8-定距环；9-折流板；10-支座；11-管板图1U型管换热器结构图2换热器管板分析方法的发展世界上每个国家都有自己的管壳式设计规范，我国目前通用的是99年修订过的GB151-1999《管壳式换热器》。国际上比较早出现的管板设计规范是美国的管壳式换热器制造商协会(TEMA)标准,虽然计算公式简单,但是适用范围和计算精度都有比较大的限制。【3】前人对管板的研究以及各国的规范大多都采用等效板理论,这种方法在管板的实际设计中得到了非常广泛的应用但是等效板法以弹性薄板理论为基础,用于厚管板分析的时候可能会存在较大的偏差;同时,各国的范都是基于管板载荷与约束均具有轴对称性而导出来的,实际上除了单管程和单壳程换热器的管板外,其余种类换热器管板都不可能满足这个条件;另外,采用无孔等效板还不能准确的模拟管板上温度场,尤其是在采用胀接与管子连接的同时,对管板温度场有重要的影响。【4】计算机技术突飞猛进的发展使的有限元数值分析法在管板设计与研究上的应用成为了一种可能，该方法的最大优点就是可以充分的模拟管板的真实结构,和真实的载荷边界条件,而不受到管板厚度或者其他结构形式的限制和影响,所以越来越受到重视。【5】3管板的研究与优化3.1管板管板是U形管换热器最重要、最复杂、造价最高的零件之一。它用来排布换热管，处于管程和壳程之间，将之间的流体分隔开，避免冷热流体混合，并且承受管程和壳程之间的压力和温度的部件。【6】3.2管板的优化如今在各种工业设备的大型化和复杂化的前提下，人们对换热器的换热效率、以及承压能力等多种参数的要求也就更加的苛刻，所以产生了一批温度、压力都超过常规换热器要求范围的“超标”设备，因此我们需要更高级的设计与分析技术来设计以及校核换热器的结构强度安全性。【7】3.2.1厚度优化在大直径和高压力的情况下，管板的加工艺、材料、生产周期等诸多因素都会决定设备的生产。合理地确定管板厚度对换热器的安全运转、材料的捷运、成本的降低起到非常重要的作用。[8]增加管板的厚度，可以提高管板承受压力的能力，但是管板两侧流体的温度差非常大的时候，管板内部沿厚度方向的热应力就会增大；如果减小管板的厚度，虽然可以降低热应力，但是承受压力的能力将会降低。U形管换热器的管板，结构和载荷都非常的复杂，使得管板的设计与制造就变的困难。采用Matlab对U形管换热器管板厚度进行优化设计，不仅可以缩短了计算周期，同时还保证了设计的可靠性和设计的合理性。【9】U形管式换热器的管板厚度随着压差的增大而增大，因此，在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。【10】3.2.2温度优化在管板采用自紧密封形式时，随着工作压力的提升，密封元件之间的接触压力就会加大，工作的压力越高，密封性就越好，因此在高压力、大直径时，自紧式密封就会显示出它的优越性，该自紧密封U型管换热器管板模型，换热管和管板采用的是焊接和胀接相结合的连接方式在非布管区，管程侧管板表面的温度最高，壳程侧管板表面的温度最低，而且与布管区的温度相比，它的温度沿管板厚度波动宽度较大，在管板布管区，管板大部分厚度上的温度位于管程流体温度和壳程流体温度之间，而在靠近壳程流体一侧很薄的一层区域中的管板金属温度接近壳程流体温度，而在靠近管程流体一侧很薄的一层区域的管板金属温度接近管程流体温度。【11】换热器的工作环境会导致管板的上下两表面温差非常巨大，温度差的出现将会导致温差应力“热应力”的出现，而温度载荷引起的热应力是不可忽视的一个重要的因素。【12】在温度变化非常明显的地方，应力强度会出现变化，这对温度场的分析总结是一项非常有意义的工作。【13】在对管板有限元模型施加温度载荷进行求解分析后，将会得到了以下结论(1)在管板布管区域，管板大部分厚度上温度都会介于管程流体温度与壳程流体温度之间，只有在靠近管板表面处很薄的一层区域内管板的温度接近该侧流体的温度，而且非常直观地反映ASME中表皮效应理论，上下管板面表皮效应影响区的厚度大约均是管板厚度的十分之一左右。(2)在管板不布管区域内，管板沿厚度方向温度由接近于管程流体温度，从管程呈线性降低到接近于壳程流体温度。【14】(3)从整个管板来看，在管板大部分厚度上都呈现出管板边缘比管板中心的管板布管区及管板过渡区的高温区要多，这就能从侧面反映出管板边缘处的应力较高(4)管板表面的温度梯度越高，将会导致管板表面产生较高的热应力。【15】《自紧密封U型管式换热器管板温度场的ANSYS分析林玉娟、孙士财、冯永利、李雷明》《自紧密封U型管式换热器的有限元分析关志超、林玉娟》参考文献［1］《U形管式换热器管板的优化设计》骆晓玲,李云花,张伟（青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266061）[2]基于ANSYS的U型管换热器的结构优化设计侯静,张亚新,韩维涛[3]NumericalSimulationandAnalysisfortheU-tubeHeatExchangerofGroundSourceHeatPumpCHANGZhen,GUOMin[4]TheOptimalDesignProcessofthePlateHeatExchangerDavidT.W.Lin,HaThiXuanChi,Chong-ChingChang,Cheng-ChiWangandChung-NengHuang,Member,IEEE[5]基于solidworks的U型管式换热器管板的结构设计及有限元分析关婷，李雪斌，范学群[6]NewOptimizationMethod,theAlgorithmsofChanges,forHeatExchangerDesignTAMHoukuan1,*,TAMLapmou1,TAMSikchung2,CHIOChouhei2,andGHAJARAfshinJ3[7]《高压U形管换热器的管板计算桑如苞,徐鸣镝》[8]《自紧密封U型管式换热器管板的力学行为研究冯永利、林玉娟》[9]《BOG在液化系统低温换热器结构强度研究王业斌冯小明》[10]U型管换热器大厚度管板的关口三维有限元应力分析南京化工学院王牧，成建国，李书臣[11]VerticalU-tubeGroundHeatExchangerDesignMethodResearchwangPY*,TianHF*,CaoWW*[12]《自紧密封U型管式换热器管板的力学行为研究冯永利、林玉娟》[13]《基于ANSYS的双管板换热器管板厚度设计探讨杨玉强1，贺小华2，杨建永1?高压U形管换热器的管板计算桑如苞,徐鸣镝》[14]《自紧密封U型管式换热器管板温度场的ANSYS分析林玉娟、孙士财、冯永利、李雷明》［15]《自紧密封U型管式换热器的有限元分析关志超、林玉娟》