管殼式換熱器換熱管軸向力分析

管殼式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、傳熱面積大、能承受較高的溫度和壓力，捷邦針對固定管板換熱器，按照多跨支承模擬計(jì)算了換熱管的軸向應(yīng)力分布情況，給大家做擴(kuò)展換熱器知識面的參考借鑒。

以如圖某型換熱器為例，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表所示：


考慮換熱器模型較大，折流板較多，如果采用整體建模進(jìn)行固有頻率計(jì)算較為困難。因此采用簡化整體模型計(jì)算其換熱管軸向力，并通過換熱管簡化模型與軸向力計(jì)算換熱管的固有頻率。
由于主要計(jì)算換熱管的軸向應(yīng)力，因此將折流板、管箱、接管等影響較小的部件在建模時(shí)都不予考慮，并且由于不計(jì)算管板的應(yīng)力強(qiáng)度，因此不需要考慮換熱管開孔對于管板的削弱作用，可以采用殼單元Shell81對管板進(jìn)行簡化建模。同時(shí)考慮換熱管較長，采用梁單元Beam189對換熱管進(jìn)行建模，在管板與換熱管連接處采用節(jié)點(diǎn)耦合的方法進(jìn)行連接。
模型如下圖所示：

由于換熱器管殼程溫差應(yīng)力是引起其軸向力的主要原因，因此在計(jì)算時(shí)不考慮換熱管因管殼程壓力差引起的軸向力。根據(jù)換熱器工藝參數(shù)，其管殼程溫度差最大可達(dá)到80℃，因此在計(jì)算時(shí)在換熱器管程施加80℃溫度場。由于換熱器管

壁厚較薄，因此不考慮換熱管壁厚方向的溫度差。

換熱器計(jì)算參數(shù)如表所示：

換熱器支座一端設(shè)置為全約束，另一端釋放換熱器軸向（UZ）方向位移約束。

根據(jù)上圖可知，換熱管最外圈軸向壓應(yīng)力最大，為-86.478MPa。隨著換熱管位置不斷向換熱器中心靠近，其軸向應(yīng)力逐漸由壓應(yīng)力逐漸變小，最終變?yōu)檩S向拉拉應(yīng)力。在中心位置的換熱管承受24.0403MPa的軸向拉應(yīng)力。這主要是由于換熱管邊緣處由于筒體的強(qiáng)化作用，其剛度較高，不易變形，隨著位置逐漸向中心靠近，其剛度逐漸降低。