板翅式换热器有限元计算及分析.pdf

第5期
仑文广场
板翅式换热器有限元计算及分析
修维红,吴晓红,倪利刚,刘孝根,彭小敏,程沛
(合肥通用机械研究院,安徽合肥230088)
[摘要]板翅式换热器构造复杂,在强度计算方面缺乏精确的公式计算方法。本文采用 ANSYS有限元方法建立了板翅式換热器
有限元模型,并通过该模型计算分析设计压力和爆破试验压力下換热器应力分布状况。其计算结果对板翅式换热器的使用有
着指导作用。
[关键词]板翅式換热器;翅片;应力分布;有限元
板翅式换热器具有传热效率高、结构紧湊、设计压力。美国锅炉及压力容器规范ASME第VⅧ
重量轻、体积小等优点,广泛应用于化学、石油卷第一分册规定,凡容器或容器部件的强度难以
化工、エ业气体分离设备、动力运输机械、制准确计算以保证安全时,其最大许用设计压力可
冷、国防工业等领域叩。大多数热交换工况采用的采用试件的爆破压力来确定,规定试样爆破压力
真空钎焊的铝制板翅式换热器凹,对于腐蚀性较高值应不低于设计压力的5倍,且以翅片拉伸断裂为
的介质,采用真空钎焊的不锈钢板翅式换热器和合格。另外NB/T47006-2009《铝制板翅式热交换
钛板翅式换热器。
器》?附录A中也介绍了爆破试验确定翅片最高允
板翅式換热器通常由隔板、翅片、封条、导许设计压力的方法,为试样爆破压力除以4-6的安
流片组成。在相郐两隔板间放置翅片、导流片以
全系数。我们通过有限元方法计算接近爆破试验
及封条组成夹层,称为通道,将这样的夹层根据
压力(5倍设计压力)下实际换热器成品的应力分
流体的不同方式叠置起来,钎焊成一整体,组成
布,研究失效过程以及失效形式。
芯体,芯体是板翅式换热器的核心,配以必要的封1计算模型
头、接管、支撑等组成板妞式换热器?。换热器管1.1结构介绍
箱封头部件内不含翅片,结构属常规压力容器部
件,在压力容器或板翅式热交换器相应标准中均有
本文计算的板翅式换热器结构如图1所示,
强度计算公式,可以方便地计算出所需壁厚或进行由芯体、管箱封头、接管组成。芯体由翅片、隔
强度校核,不具代表性,有限元模型中不包含封头板、盖板、封条和导流片组成,如图2所示?两种
部分,本文主要侧重芯体部分的强度研究。
不同介质经由不同侧管箱进入,经翅片循环回每侧
管箱;相邻翅片层走不同介质,每层的回转端部用
板翅换热器翅片除承担主要的传热任务外,
封条堵住,与管箱中的不同介质隔离开;翅片与隔
还起着两隔板间的加强作用。板翅式换热器的结板间、隔板与最外部盖板间钎焊连接;每层翅片、
构较为复杂,目前翅片和隔板的强度计算公式都
封条、隔板边缘与管箱封头边缘钎焊连接
是对实际结构简化后套用一些简单理论并与经验
相结合进行的计算,无法确知应力分布状况和失
效部位。有限元方法是计算结构复杂、载荷状
况复杂的压力容器应力的有效手段,本文利用有限
元方法模拟了一台实际使用的钛制板翅式换热器结
构,在复杂结构上加载压力载荷和边界条件,精确
计算出了不同工况该换热器的应力分布。
因为常规计算方法不够精确,为保证板翅式
1板翅式换热器
换热器的可靠性,往往根据实际爆破试验确定最
作者简介:修维红(1979ー),女,山东青岛人,硕土,工程
高允许设计压力,规定设计压力应低于最高允许
师。在合肥通用机械研究院工作。
6■论文广场
石油和化工设备
2012年第15卷
括:单侧设计压力作用和双侧设计压力作用;单
侧爆破试验压力作用和双侧爆破试验压力作用。
3结构强度计算结果
几种工况作用下翅片和隔板应力分布如下所
述,盖板、封条等部件由于应力较低,限于本文
篇幅不作讨论。
3.1设计压力下应力分布
単侧压力作用下隔板和翅片第三强度当量应
力分布回如图5所示,隔板总体应力水平较低,
1-翅片;2-导流片:3封条;4-隔板
翅片入口边缘和中部应力相对较高。双侧压力作
图2芯体
用下隔板和翅片第三强度当量应力分布?如图6所
1.2有限元模型
示,隔板总体应力水平较低,翅片入口边缘应力相
由结构和載荷对称性可将盖板、封条、对较高。两种工况相比较,单侧压力作用下翅片大
体翅片和隔板简化为二分之一模型进行计算。
部分区域应力较高,双侧压力作用下仅入口处局部
盖板、封条、隔板使用实体单元,单元类型
应力高于单侧压力作用下翅片应力,其余部分翅片
Solid45,分割隔板间空间组成流道的翅片部分使
应力低于单侧压力作用下相同部位应力。
用壳单元,单元类型Shel63。结构有限元模型如
NODAL SOLUTION
AN
图3所示,翅片排列形式如图4所示,每层翅片排
92011
09:29:26
列并不相同,旋转180
5MK=22,244
9,991
14,832
19,795
图3有限元计算模型
图5单侧设计压力作用下隔板和翅片应力分布
DA.江10N
AN
客TEP=
os
0的376
MK=29,521
图4有限元分析模型中的翅片结构
2载荷和边界条件
加載位移边界条件,约束了二分之一模型的
对称边界。换热器的隔板、封条边缘与管箱封头
钎焊连接,加载约束。
1364
13,19
该台换热器用于两种介质换热,载荷工况包
图6双側设计压力作用下隔板和翅片应力分布