江蘇鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 許志鵬

熱管換熱器管板應(yīng)力分析的方法

江蘇鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 許志鵬

管板是換熱器的關(guān)鍵部件之一，通過管板的結(jié)構(gòu)、材料特性、載荷分布以及邊界約束條件等方面分析，管板應(yīng)力的分析方法對管板的受力研究有一定的意義。

管板；換熱器；受力分析；

1 幾何參數(shù)

冷、熱流體分別為空氣和煙氣，采用逆流布置，通過熱管的傳熱進(jìn)行熱交換，達(dá)到煙氣降溫加熱空氣的目的。

熱管換熱器管板與熱管的主要幾何尺寸見表1所示。

表1 主要幾何參數(shù)

2 熱管換熱器特性

2.1 熱管換熱器所用材料特性

分析中有關(guān)部件的材料物性，詳見表2[1-2]。

表2 材料的物理屬性數(shù)據(jù)

2.2 單元結(jié)構(gòu)模型的選擇

考慮到建立模型時(shí)，簡化一定的求解過程，選擇合適的管陣列在管板冷、熱側(cè)有一定的外伸長度，為了更加真實(shí)地模擬出管陣列與管板間的應(yīng)力分析狀態(tài)，管束與管板均采用實(shí)體。ANSYS在單元選擇方面，用8節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid45來做結(jié)構(gòu)分析，用Solid70即與Solid45對應(yīng)的單元來分析傳熱。

3 網(wǎng)格數(shù)量

網(wǎng)格數(shù)量越多，計(jì)算精度越準(zhǔn)確，由ANSYS軟件中自動劃分方式，得到劃分節(jié)點(diǎn)總數(shù)為759802個(gè)，單元總數(shù)為2208246個(gè)。獲得工程上合理的計(jì)算精度與規(guī)模，PC性能也能跟上。

4 管板載荷及其邊界條件

4.1 有限元分析中載荷分析

本課題涉及到的有：面載荷：在單元表面上作用的分布載荷；

自由度約束：一般自由度分為Ux、Uy、Uz，如結(jié)構(gòu)分析中的固定位移。

4.2 管板載荷與邊界條件分析

管板的應(yīng)力計(jì)算載荷，P為換熱管對管板的壓力，Ps為冷側(cè)氣體壓力，Pt為熱側(cè)氣體壓力，ts為冷側(cè)氣體溫度，tt為熱側(cè)氣體溫度。

根據(jù)實(shí)際中熱管換熱器操作工況分析，考慮以下幾種不同載荷，分別是：

（1）溫度載荷：為熱傳導(dǎo)分析。在離散型分析中，取溫度較高處的四分之一模型，當(dāng)為正常工況時(shí)，ts為冷側(cè)氣體溫度，tt為熱側(cè)氣體溫度，溫度大小分布為熱側(cè)進(jìn)口處到熱側(cè)出口處遞減。

（2）壓力載荷，機(jī)械載荷方面：管板冷側(cè)氣體壓力為Ps(-0. 005MPa)，熱側(cè)氣體壓力為Pt(+0.005MPa)。

5 小結(jié)

（1）本節(jié)內(nèi)容建立了合理的管板與熱管之間的物理模型，與現(xiàn)實(shí)中設(shè)備匹配度較高，吻合度好。

（2）詳細(xì)介紹了在模擬計(jì)算過程中所遇到的單元、結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格、載荷以及邊界約束方面的問題，充分展示了管板的溫度與受力情況。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).JB/T4735-1997鋼制焊接常壓容器[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1997年5月.

[2]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2010：212-252.