管壳式换热器换热管轴向力分析

      管壳式换热器因为其结构简单、传热面积大、能承受较高的温度和压力，被广泛运用于石油化工行业。本文针对固定管板换热器，按照多跨支承模拟计算了换热管的轴向应力分布情况，给大家做扩展换热器知识面的参考借鉴。

换热器结构参数

以如图1某型换热器为例，其结构参数如表1所示：

                            
图1 换热器壳程机构示意图

表1换热器参数

换热管轴向力分析

考虑换热器模型较大，折流板较多，如果采用整体建模进行固有频率计算较为困难。因此采用简化整体模型计算其换热管轴向力，并通过换热管简化模型与轴向力计算换热管的固有频率。

计算模型

由于主要计算换热管的轴向应力，因此将折流板、管箱、接管等影响较小的部件在建模时都不予考虑，并且由于不计算管板的应力强度，因此不需要考虑换热管开孔对于管板的削弱作用，可以采用壳单元Shell81对管板进行简化建模。同时考虑换热管较长，采用梁单元Beam189对换热管进行建模，在管板与换热管连接处采用节点耦合的方法进行连接。模型如图3所示：

图3 有限元模型

图4 换热器网格

边界条件载荷施加

由于换热器管壳程温差应力是引起其轴向力的主要原因，因此在计算时不考虑换热管因管壳程压力差引起的轴向力。根据换热器工艺参数，其管壳程温度差最大可达到80℃，因此在计算时在换热器管程施加80℃温度场。由于换热器管

壁厚较薄，因此不考虑换热管壁厚方向的温度差。

换热器计算参数如表2所示：

表2 模型计算参数

换热器支座一端设置为全约束，另一端释放换热器轴向（UZ）方向位移约束。

计算结果分析

图5  换热器轴向应力图

根据图5可知，换热管最外圈轴向压应力最大，为-86.478MPa。随着换热管位置不断向换热器中心靠近，其轴向应力逐渐由压应力逐渐变小，最终变为轴向拉拉应力。在中心位置的换热管承受24.0403MPa的轴向拉应力。这主要是由于换热管边缘处由于筒体的强化作用，其刚度较高，不易变形，随着位置逐渐向中心靠近，其刚度逐渐降低。

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