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        換熱器不同工況下管板的應(yīng)力分析與評(píng)定

        2020-11-14 07:47:14孫正碩趙振東許春林
        化工機(jī)械 2020年5期
        關(guān)鍵詞:管程殼程管板

        王 琪 孫正碩 沈 妍 趙振東 許春林

        (1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;2.張家港市江南鍋爐壓力容器有限公司)

        在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)制造中,存在著大量的熱量轉(zhuǎn)化過程,為提高能源利用率,研究高效安全的換熱器是科技發(fā)展的必然結(jié)果。 管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易選材、處理能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)及清洗方便等特點(diǎn),可用于高溫高壓工作環(huán)境,目前被廣泛應(yīng)用于石油、冶金、能源、動(dòng)力及制冷等領(lǐng)域[1]。

        管殼式換熱器中的管板將不同溫度的工作介質(zhì)分離,進(jìn)而形成管程介質(zhì)與殼程介質(zhì),并同時(shí)承受管程介質(zhì)與殼程介質(zhì)的壓力。 管板還具有支撐管束布置換熱管的作用。 管程、殼程介質(zhì)壓力和溫度載荷有不同的組合,不同載荷的組合對(duì)管板產(chǎn)生不同的影響,導(dǎo)致管板成為管殼式換熱器中受力情況最為復(fù)雜的部件[2]。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管板進(jìn)行了廣泛研究,并頒布了一系列設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 郝海波將標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的管板厚度進(jìn)一步減小,并對(duì)減薄后的管板進(jìn)行強(qiáng)度校核,在滿足強(qiáng)度要求的情況下節(jié)約材料[3]。 王戰(zhàn)輝等在分析管板應(yīng)力分布時(shí),發(fā)現(xiàn)管板與其他部件連接處會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力,通過在其他部件與管板的連接處增加過渡圓角的方式,改善應(yīng)力分布情況[4]。

        筆者結(jié)合管板連接處的結(jié)構(gòu)缺陷和螺栓預(yù)緊力,考慮應(yīng)力分布的影響因素,對(duì)管板進(jìn)行改進(jìn),將換熱管連接處做倒角處理,減小管板厚度,從而達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)兼顧的效果。

        1 模型設(shè)計(jì)

        1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

        管殼式換熱器原始設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

        表1 換熱器原始設(shè)計(jì)參數(shù)

        根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到: 換熱面積44.6m2、換熱器筒體直徑400mm、 厚度10mm、 管板厚度40mm、換熱管77 根,設(shè)備法蘭、螺栓等根據(jù)GB/T 151—2014 選取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格[5]。

        1.2 模型簡(jiǎn)化

        針對(duì)換熱器管板的應(yīng)力分布情況,對(duì)模型做以下簡(jiǎn)化:

        a. 模型僅涉及到設(shè)備法蘭、管板、換熱管、殼體和螺栓;

        b. 換熱管與管板采用脹焊并用的連接方式,且認(rèn)為兩者為一個(gè)整體,不考慮接觸問題;

        c. 換熱管實(shí)際需伸出管板外3mm,簡(jiǎn)化為換熱管與管板表面平齊;

        d. 換熱器為對(duì)稱模型,只選取其1/4 模型進(jìn)行分析[6,7]。

        圖1 換熱器1/4 簡(jiǎn)化模型

        1.3 模型邊界條件

        在實(shí)際工作中,換熱器涉及的載荷有:工作介質(zhì)的壓力和溫度、外部環(huán)境溫度、自身重力、外部風(fēng)載荷、地震載荷、液柱靜壓力[9]。 6 種載荷中,由于后四種對(duì)分析結(jié)果影響很小,因此可忽略不計(jì)。 因管板兩表面距工作介質(zhì)進(jìn)出口很近且保留換熱管長(zhǎng)度相對(duì)整體較短,所以設(shè)定管程側(cè)溫度為140℃、壓力為0.2MPa,殼程側(cè)溫度為40℃、壓力為0.4MPa, 環(huán)境溫度設(shè)定為22℃、 壓力為0.1MPa,螺栓預(yù)緊力為100kN。

        對(duì)不同工況進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí),所施加的約束條件是相同的,即對(duì)外伸殼體橫截面施加法向位移為0 的無摩擦約束,對(duì)管板兩個(gè)對(duì)稱橫截面施加法向位移為0 的無摩擦約束[10]。

        2 不同工況下管板的應(yīng)力分析

        2.1 工況形式

        換熱器在工作過程中共有7 種工況形式,不同工況下的載荷情況見表2。

        表2 不同工況下的載荷組合

        由表2 可見, 工況2、3、4 不存在溫度載荷,而為了分析壓力載荷和溫度載荷共同對(duì)換熱器管板應(yīng)力分布的影響,故選擇工況1、5、6、7 進(jìn)行分析,并將工況1 與工況4 管板的應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比。 通過對(duì)工況1、4、5、6、7 下的管板進(jìn)行分析,找出應(yīng)力分布規(guī)律和危險(xiǎn)位置,對(duì)管板存在的問題進(jìn)行改進(jìn)。

        2.2 5 種工況管板應(yīng)力分析

        2.2.1 工況1 管板應(yīng)力分析

        換熱器在穩(wěn)態(tài)工況時(shí),管程與殼程介質(zhì)處在穩(wěn)態(tài)熱量交換中,管程、殼程的壓力載荷和溫度載荷會(huì)同時(shí)作用在管板上。 圖2 為管板溫度分布云圖,可以看出在管板非布管區(qū)域殼程側(cè),存在一層很薄、溫度為40℃的區(qū)域,沿厚度方向的其余區(qū)域溫度基本為管程介質(zhì)溫度。 分析該結(jié)果符合ASME 中涉及的表皮效應(yīng)。 非布管區(qū)域的溫度成線性變化,且溫度梯度較小,而管板布管區(qū)域的溫度變化梯度比非布管區(qū)域大,這是由管程介質(zhì)溫度引起的,因此在布管區(qū)域存在較大的溫差應(yīng)力。

        圖2 工況1 管板溫度分布云圖

        圖3 為管板等效應(yīng)力云圖,管板與殼體及換熱管連接處的應(yīng)力比較大,最大應(yīng)力出現(xiàn)在換熱管連接處,最小應(yīng)力出現(xiàn)在殼體外側(cè)的管板邊緣處,分別為245.7、0.341MPa。 筒體內(nèi)部的管板非布管區(qū)域應(yīng)力較小且分布均勻,此時(shí)應(yīng)力主要表現(xiàn)為薄膜應(yīng)力。

        圖3 工況1 管板等效應(yīng)力云圖

        2.2.2 工況5、6 管板應(yīng)力分析

        這兩種瞬態(tài)工況可以歸納為管板的一側(cè)先停車,而另一側(cè)還在正常工作。 此時(shí)管板一側(cè)壓力載荷瞬間消失,而另一側(cè)還存在工作介質(zhì)的壓力載荷。 圖4、5 分別為兩種工況下的管板等效應(yīng)力云圖。

        圖4 工況5 管板等效應(yīng)力云圖

        圖5 工況6 管板等效應(yīng)力云圖

        2.2.3 工況7 管板應(yīng)力分析

        在換熱器管程與殼程同時(shí)停車的瞬間,工作介質(zhì)傳遞到換熱器上的溫度仍然存在,但管程與殼程壓力瞬間消失,因此工況7 的載荷只有溫度載荷而不存在壓力載荷。 圖6 為工況7 管板等效應(yīng)力云圖。

        圖6 工況7 管板等效應(yīng)力云圖

        2.2.4 工況4 管板應(yīng)力分析

        在換熱器兩程同時(shí)開車時(shí),工作介質(zhì)的溫度還來不及傳遞給換熱器金屬部件,所以此工況不存在溫度載荷,只有管、殼程的壓力載荷。 圖7 為工況4 管板等效應(yīng)力云圖,在換熱器筒體內(nèi)的管板應(yīng)力呈現(xiàn)均勻分布,且數(shù)值很小,而管板外部用來連接設(shè)備法蘭的螺栓孔處應(yīng)力則較大。

        圖7 工況4 管板等效應(yīng)力云圖

        2.3 結(jié)果討論

        換熱器存在溫度載荷的4 種工況中,筒體及換熱管與管板連接處均出現(xiàn)較大應(yīng)力,這是由于幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)導(dǎo)致的。 在筒體內(nèi)非布管區(qū)域的管板應(yīng)力呈均勻分布,為薄膜應(yīng)力。 在僅存在壓力載荷的工況中,管板整體應(yīng)力較小,最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓連接處,表明螺栓預(yù)緊力對(duì)管板應(yīng)力分布是有影響的。

        穩(wěn)態(tài)工況在換熱器所有工況中工作時(shí)間是最久的,占絕大多數(shù)時(shí)間,其他工況都為瞬態(tài)工況,時(shí)間極短。 穩(wěn)態(tài)工況下,所有載荷均存在,因此對(duì)管板做線性應(yīng)力評(píng)定是極其必要的。

        3 應(yīng)力評(píng)定

        在工況1 管板上設(shè)置3 條沿厚度方向的路徑, 如圖8 所示。 其中,A 路徑為管板未布管區(qū)域,B 路徑為筒體與管板連接處,C 路徑為換熱管與管板連接處。 所有路徑均為管板的一個(gè)表面到另一個(gè)表面,且為管板表面的法線方向。

        圖8 管板應(yīng)力分析路徑

        對(duì)管板3 條路徑進(jìn)行應(yīng)力線性分析,得出管板、 換熱管與筒體連接處存在較大應(yīng)力, 如圖9所示。 其中,PL代表一次局部薄膜應(yīng)力,Pb代表一次彎曲應(yīng)力,Q 代表二次應(yīng)力。

        圖9 工況1 管板3 條路徑的應(yīng)力曲線

        根據(jù)JB/T 4732—1995(2005 年確認(rèn)),強(qiáng)度校核有3 個(gè)評(píng)定依據(jù):

        PL≤1.5KSm

        PL+Pb≤1.5KSm

        PL+Pb+Q≤3Sm

        其中,K 是載荷系數(shù), 在分析管板時(shí),K 取值為1;Sm是材料許用應(yīng)力極限,其值等于材料屈服強(qiáng)度除以安全系數(shù), 取安全系數(shù)為2, 則Sm=172.5MPa。

        工況1 管板3 條路徑的安全評(píng)定結(jié)果見表3。

        表3 工況1 管板3 條路徑的安全評(píng)定結(jié)果

        通過對(duì)換熱器管板做線性應(yīng)力評(píng)定,可以得出管板、 換熱管與筒體連接處存在較大應(yīng)力,但遠(yuǎn)沒有達(dá)到限制值,因此按照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的管板厚度存在較大的改進(jìn)空間。

        4 管板改進(jìn)

        針對(duì)管板、換熱管與筒體連接處應(yīng)力較大的情況,對(duì)換熱管連接處做倒角處理,而筒體連接處不做倒角處理,將兩種結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。 管板原厚度為40mm,現(xiàn)將厚度減小為30mm。 保持原分析條件不變,在工況1 下對(duì)改進(jìn)后的管板3 條路徑進(jìn)行線性應(yīng)力評(píng)定,結(jié)果如圖10 所示。

        圖10 工況1 改進(jìn)后的管板3 條路徑的應(yīng)力曲線

        工況1 改進(jìn)后的管板3 條路徑的安全評(píng)定結(jié)果見表4。

        從改進(jìn)后的評(píng)定結(jié)果可以看出:由于管板厚度減小,A、B 路徑上3 種應(yīng)力均出現(xiàn)增大現(xiàn)象,但仍能滿足強(qiáng)度要求。 而C 路徑總應(yīng)力減小,這是由于C 路徑處的換熱管連接處做了倒角處理,B 路徑筒體連接處沒有做倒角處理,因此可知倒角處理對(duì)減小應(yīng)力是有益的。

        表4 工況1 改進(jìn)后的管板3 條路徑安全評(píng)定結(jié)果

        5 結(jié)論

        5.1 在考慮螺栓預(yù)緊力的影響、換熱器存在溫度載荷的4 種工況下對(duì)管板進(jìn)行分析,得出管板非布管區(qū)域的應(yīng)力較小且分布均勻,此時(shí)的應(yīng)力主要表現(xiàn)為薄膜應(yīng)力。 在管板、換熱管與筒體連接處出現(xiàn)較大的等效應(yīng)力,這是由于連接區(qū)域幾何形狀不連續(xù)引起的結(jié)構(gòu)缺陷。

        5.2 通過對(duì)比分析,溫度變化較大會(huì)導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力出現(xiàn),溫度載荷引起的熱應(yīng)力對(duì)管板整體等效應(yīng)力分布影響很大,其影響程度超過壓力載荷。

        5.3 在穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行管板薄膜與彎曲應(yīng)力的分析評(píng)定,根據(jù)評(píng)定依據(jù),3 條路徑的線性應(yīng)力值均遠(yuǎn)低于限制值。

        5.4 根據(jù)評(píng)定結(jié)果, 將換熱器管板厚度減薄10mm,對(duì)管板與換熱管連接處做倒角處理,并進(jìn)行應(yīng)力分析與評(píng)定。 結(jié)果表明,改進(jìn)后的管板能夠達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)兼顧的目的。

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