热管换热器管板应力分析的方法

江苏盐城工业职业技术学院 许志鹏

热管换热器管板应力分析的方法

江苏盐城工业职业技术学院 许志鹏

管板是换热器的关键部件之一，通过管板的结构、材料特性、载荷分布以及边界约束条件等方面分析，管板应力的分析方法对管板的受力研究有一定的意义。

管板；换热器；受力分析；

1 几何参数

冷、热流体分别为空气和烟气，采用逆流布置，通过热管的传热进行热交换，达到烟气降温加热空气的目的。

热管换热器管板与热管的主要几何尺寸见表1所示。

表1 主要几何参数

2 热管换热器特性

2.1 热管换热器所用材料特性

分析中有关部件的材料物性，详见表2[1-2]。

表2 材料的物理属性数据

2.2 单元结构模型的选择

考虑到建立模型时，简化一定的求解过程，选择合适的管阵列在管板冷、热侧有一定的外伸长度，为了更加真实地模拟出管阵列与管板间的应力分析状态，管束与管板均采用实体。ANSYS在单元选择方面，用8节点六面体单元Solid45来做结构分析，用Solid70即与Solid45对应的单元来分析传热。

3 网格数量

网格数量越多，计算精度越准确，由ANSYS软件中自动划分方式，得到划分节点总数为759802个，单元总数为2208246个。获得工程上合理的计算精度与规模，PC性能也能跟上。

4 管板载荷及其边界条件

4.1 有限元分析中载荷分析

本课题涉及到的有：面载荷：在单元表面上作用的分布载荷；

自由度约束：一般自由度分为Ux、Uy、Uz，如结构分析中的固定位移。

4.2 管板载荷与边界条件分析

管板的应力计算载荷，P为换热管对管板的压力，Ps为冷侧气体压力，Pt为热侧气体压力，ts为冷侧气体温度，tt为热侧气体温度。

根据实际中热管换热器操作工况分析，考虑以下几种不同载荷，分别是：

（1）温度载荷：为热传导分析。在离散型分析中，取温度较高处的四分之一模型，当为正常工况时，ts为冷侧气体温度，tt为热侧气体温度，温度大小分布为热侧进口处到热侧出口处递减。

（2）压力载荷，机械载荷方面：管板冷侧气体压力为Ps(-0. 005MPa)，热侧气体压力为Pt(+0.005MPa)。

5 小结

（1）本节内容建立了合理的管板与热管之间的物理模型，与现实中设备匹配度较高，吻合度好。

（2）详细介绍了在模拟计算过程中所遇到的单元、结构、网格、载荷以及边界约束方面的问题，充分展示了管板的温度与受力情况。

[1]中华人民共和国国家标准.JB/T4735-1997钢制焊接常压容器[S].中国标准出版社,1997年5月.

[2]机械设计手册[M].机械工业出版社,2010：212-252.