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传统U形管换热器热应力的计算分析

传统U形管换热器热应力的计算分析

管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强、材料范围广等优点,广泛地应用在炼油、化工和石油化工等行业。u形管式换热器具有管束可以自由伸缩,不会因为管子与壳体问的壁温差而产生温差应力;同时管束可以抽出,抽出部分重量轻,结构简单,造价便宜等优点在工业中应用较为广泛。在U形管式换热器中,管束是最关键,同时也是

容易损坏的部件之一。在直管式换热器中,壳体与管子之问不同的热膨胀量是结构上发生问题的一大主要根源。在U形管式换热器中, 由于壳体与管子之问不同的热膨胀量而引起的热应力问题已消除,但是在U形管结构中却产生了由于管束二直管段不同热膨胀量导致的热应力问题。

①温差对U形管产生的轴向力

本文研究的换热器为双壳程U形管换热器,壳程隔板上、下流体的温差较大,使得U形管上、下2个部分产生变形差,当变形受约束后会产生方向相反的热应力。上部U形管位于壳程隔板以上,平均温度约为60℃,则自由膨胀为:

δ1=aLΔt1,

其中,Δt1为上部换热管的实际增温,设备安装时室温约为20℃,故Δt1=60~20℃;线性膨胀系数a=1.2e-5/℃,L=1 000mm,同样可以计算出δ2=aLΔt2。由于上、下部分U形管连接在一起而不能产生自由膨胀,加之折流板的约束,假设这种约束为刚性,因而相互间产生作用力F2,则有:

②操作压力与温差引起的轴向合力

对上部换热管,对下部换热,根据上述计算U形管的轴向力,可进一步推算出管板结合处的热应力。为了更直观地得到管板结合处产生的热应力以及观察最大应力集中位置与变形,本文利用Ansys对管板的热应力进行模拟。

③换热器工作介质及参数

这里研究的换热器对象是化工行业所用换热器,利用冷却水冷却润滑油。

换热器管程流体为润滑油,壳程流体为水,该换热器利用20℃的冷却水将100℃的润滑油冷却到70℃。根据理论计算以及CFD软件FLU-ENT的模拟验算[3-4],得出冷却水的出口温度为27℃。

④操作压力对U形管产生的轴向推力

受操作压力产生的作用于U形管上的轴向,由于U形管换热器壳程内、外侧的面积不同,又由于壳程压力较高,故会产生轴向应力。作用在U形管外侧的轴向力为p(2R+d0)d0,作用在U形管内侧的轴向力为p(2R-d0)d0,因而产生的轴向力为:F1=p(2R+d0)d0-p(2R-d0)d0,其中,p为壳程操作压力;d0为U形管管径;R为弯管半径。

在大多数的实际应用情况中,U形管的设计要具备足够的挠性,才能在温度变化不很大的情况下使二直管段问温差不致产生高应力。对于某些u形管式换热器,U形管束会有较大的温度梯度,这样就会在u形管的弯管处引起较大的热应力,从而导致管束失效。下面介绍我们在实际工作中遇到的二例u形管式换热器管束失效的实例。设计者必须知道如何通过改变某些设计参数来降低u形管中的热应力,以预防管束失效。

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