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工艺参数波动对预应力换热器安全性的影响

文档作者：郭崇志，周祥，黄巍文档来源：华南理工大学		点击数：	更新时间： 2024年09月21日
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工艺参数波动对预应力换热器安全性的影响
郭崇志，周祥，黄巍
(华南理工大学，广东广州510640)
摘要：采用“分段建模，整体综合”的模拟方法对壳程E流路和管程流体建模，使得分析模型更加
符合实际。进一步考虑了管壳程工艺参数波动条件下，折流杆预应力换热器在仅受预变形、仅受操
作温度以及预变形和温度共同作用3种加载工况下的管子与管板接头应力变化规律，并在整理大
量数据的基础上给出了预应力换热器的安全操作区间，对于指导预应力换热器设计和应用具有较
大的现实意义。此外，通过预应力换热器的试验研究，验证了模拟结果的可靠性。
关键词：工艺参数；折流杆换热器；预应力；安全区间
中图分类号：TH123；TQo51．5 文献标志码：A 文章编号：1001—4837(2015)01—0009—09
doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2015．01．002
Efect of Process Parameters Fluctuation on Safety
of Pre-stressed Heat Exchanger
GUO Chong—zhi，ZHOU Xiang，HUANG W ei
(South China University of Technology，Guangzhou 5 10640，China)
Abstract：The numerical simulation method named “Simulation in subsections，integration of the whole’’
were used to model shell E flow path and the tube side fluid，which makes the analysis of the model is
consistent with the actual mode1．Process parameters fluctuation of tube side and shell side were further
considered．The analysis of the rod baffle heat exchanger s stress variation is under three kinds of working
condition．They are affected by the pre—deformation load，the temperature load and the pre—deform ation
load and temperature load combination．Safe working range of pre—stressed heat exchanger is given on the
basis of processing large amounts of data．It guides the design and application of pre—stressed heat ex—
changer has great practical significance．In addition，the experimental research on a certain condition of
pre—stressed heat exchanger，proves the reliability of the simulation．
Key words：the process parameters；rod—baffle heat exchanger；pre—deform ation；safe range
0 引言
预应力换热器的主要目的是降低固定管板管
壳式换热器温差应力，为此已经开展了一些研究。
文献[1]运用预应力理论，通过预加与温差应力
等值的反向应力的方法，克服了普通换热器工作
时存在的温差应力，有效地提高了换热器的使用
可靠性；文献[2]提出了一种通过施加预应力来
降低运行中的换热器温差应力的专利制造技术；
文献[3]对这种预应力换热器进行了粗略的计
算，并将结果与普通换热器进行了对比，得到这种
． q ．
艺参数波动对预应力换热器安全性的影响
预应力技术能有效降低换热器的温差应力；文献
[4—5]利用Fluent数值模拟和ANSYS预拉伸单
元对预应力换热器进行了分析，并用试验验证了
分析结果，表明这种预应力换热器技术是可靠的。
为了深入研究工艺参数的改变对预应力换热器性
能的影响，文献[6]研究了在固定的管程工艺参
数下，改变壳程工艺参数对预应力换热器性能的
影响，得到了各种应力准则下最佳预变形与流速
的关系式。理论计算模拟和试验测试均表明，通
过施加预应力降低运行中的换热器温差应力的技
术是可靠的。
文中重点研究管、壳程工艺参数波动对预应
管程
进口
壳程流体进口
力换热器安全性的影响。在试验验证的基础上，
通过几百个模拟计算的算例来分析不同管、壳程
工艺参数发生波动情况下，预应力换热器的管板
与管子连接接头强度性能的变化，及其满足运行
条件的某些限制准则。
1 建模
1．1 几何模型gZ-~-艺条件
折流杆固定管板式换热器结构如图1所示。
其主要结构尺寸和工艺条件见表1，2。为了得到
管、壳程较大壁温差，两种介质的流向为并流。
}_。==j{二j二j 二： 一j 二_一 H
进口导 折流栅 折流栅 折流栅 折流栅；折流栅 折流栅 I
管箱 流筒段 1段 2段 3段 4段 5段：6段 口喜 筒 管箱
表1 主要结构尺寸
图1 折流杆固定管板式换热器结构示意
结构参数 尺寸／mm
管板厚度占 l2
管板外径 125
导流筒几何参数 ,／,92 X1 X120
管心距 19
折流杆直径 3
壳体 击115×6．5 X1500
表2 主要工艺条件
项目 管程 壳程
介质 饱和蒸汽 自来水
入口温度／K ~>373 30o
出口温度 计算确定 计算确定
入 口流速 t>0．5 kg／s 0
． (质量流速) 3 m／s
出口流速 计算确定 计算确定
管程
【叶{口
1．2 模型简化及单元类型的选取
三维实体模型考虑了实际中存在的E流
路’ ，建立 包含进出口接管、管箱、管板、壳体
和换热管束的1／2对称模型。通过设置换热管为
预拉伸单元，进行热一结构耦合分析。并将Fluent
计算得到的温度场加载到ANSYS中进行结构分
析 ”j，分析采用“分段建模，逐段模拟，整体综
合”的方法 。
1．3 预变形加载及定义路径
降低或抵消由于管、壳温差引起的温差应力，
即抵消管、壳之间的热膨胀差产生的热应力而需
要施加预变形。利用ANSYS对给定工艺参数进
行分析，确定换热管和管板之间的平均热膨胀差。
文献[14]分析结果表明，整体加载时，当每
根换热管施加热膨胀变形差时，预应力换热器性
能最佳，因此，可以将换热管和管板之间的平均热
膨胀差近似作为整体加载时最优预变形量。
对管板选取两个路径进行分析，如图2所示。
各个路径均是管板厚度方向的路径，方向都是从
管程指向壳程，其中路径1表示中心换热管与管
板连接的位置；路径2表示管板与壳体连接位置。

工艺参数波动对预应力换热器安全性的影响 VolJ．32 No．1 2015
在整个壳程流速变化范围，管板与壳体连接区域
都是安全的。但是在管板中心部位，流速2～3
m／s之间出现局部薄膜应力超标，如果换热器短
时运行且只是快速通过此区域，则由于超标幅度
不大，对换热器管板中心的管子连接区域性能影
响不大；但如果换热器长期运行在这个范围，则可
能导致不安全。由于一次弯曲应力与局部薄膜应
力的叠加，导致管板与管子连接的接头表面区域
可能出现局部屈服甚至裂纹。综上所述，从保守
的观点来看，可以认为在壳程流速小于2 m／s的
情况下，换热器是可以保证安全的。
表3 仅受预变形载荷作用，不同壳程入口流速下各路径强度 MPa
流速／ O
． 2 O．4 O．6 O．8 1 1．9 2 3 5 7
nl·S 限制
f≤ )
路径 1 2 l 2 1 2 1 2 l 2 1 2 l 2 1 2 l 2 1 2
PⅢ 44 9．3 5l 1O．8 54．8 I1．7 53 I1 52 l2 55 l2 56．5 12．5 52 l3 46 1l 41 lO 140
Pi +p B 154 68． 9 】80 85 】93 93 185 88 207 lO2 209 94 211 98 216 104 188 92 170 82 2l0
P1+p B+Q 】80 104 208 l21 224 13O 215 125 248 141 230 136 234 140 252 144 221 126 197 l12 420
结论 、／ × 、／ × 、／
(2)无预应力、仅受温度载荷影响(即普通换 应力换热器工作状态)结果见表4。
热器工作状态)、温度和预应力载荷共同作用(预
表4 壳程流速波动时预应力换热器安全区间
1-艺参数 工况条件 安全区间
仅受预变形载荷(安装状态) 0～2 m／s
壳程流速波动 无预应力仅受温度载荷(普通换热器状态) 0—7 m／s，常规流速内安全
温度和预应力共同作用(预应力换热器_r作状态) 0～9 m／s，常规流速内安全
2．2 管程入口温度波动换热器的影响
(1)仅受预变形载荷作用。
i墅坠 ： 盟 ； 。
~221；+08 967E+08 161E+O9 226E+09 2901']409
图6 管程人口温度波动时仪受预变形载荷
工况下应力云图
图6示出了其他参数保持不变情况下，考虑
管程入口温度 变化的一个结果示例(T=373
- l2 ·
K)，可以看出，最大应力在管板与中心管连接部
位，总体应力 =162 MPa，此外管板与壳体连接
区域的应力也较大，总体应力 =93．69 MPa。图
7，8示出了路径分析结果。
0 0．6O 1．20
离／xlO～mm
图7 管程入口温度波动时换热器选定路径l
应力强度分布
第32卷第1期 压 力 容 器 总第266期
c口
岂
2
×
＼
骤
0 0．60 1．20
趴离／×l0 mm
图8 管程人口温度波动时换热器选定路径2
应力强度分布
表5列出了全部分析结果，可以看出，在此工
况下，在整个管程温度变化范围，管板与壳体连接
区域都是安全的。但是在管板中心部位，温度
423～443 K之间出现局部薄膜应力超标，如果换
热器长期运行在这个范围，则可能导致不安全。
由于一次弯曲应力与局部薄膜应力的叠加，导致
管板与管子连接的接头表面区域可能出现局部屈
服甚至裂纹。综上所述，从保守的观点来看，可以
认为在管程温度小于423 K的情况下，换热器是
可以保证安全的。
(2)无预应力仅受温度载荷影响、受温度和
预应力载荷共同作用结果见表6。
表5 仅受预变形载荷作用，不同管程入口温度下各路径强度 MPa
温度／K 373 383 393 403 4 0 413 423 443 限制
路径 1 2 l 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 (≤)
Pm 39．6 8．41 50．4 1O．6 54 11．5 58．5 12．4 59 l2． 6 59．7 12．7 65 13．8 82．4 l8 140
Pt +P B 140 67 179 84 19l 90 200 98 205 1OO 206 l01 210 lO9 294 l39 210
P L+PB+Q l62 93．7 207 l】9 22l 128 239 l38 242 l40 244 141 265 154 341 204 420
结论 、／ 、v／ 、／ × 、／ × 、／
表6 管程入口温度波动时预应力换热器安全区间
工艺参数 工况条件 安全区间
仅受预变形载荷(安装状态) 0～423 K
管程入口温度波动 无预应力仅受温度载荷(普通换热器状态) 0～453 K
温度和预应力共同作用(预应力换热器工作状态) 0～533 K
2．3 管程入口质量流速波动的影响
(1)仅受预变形载荷作用。
_皂盟盟 立盈盖 盟 !呈 ：：
316E+08 949E+08 l58E+09 222E+09 ．285E+09
图9 管程人口质量流速波动时仅受预变形载荷
工况下应力云图
图9示出了其他参数保持不变情况下，考虑
管程入口质量流速q变化的一个结果示例(q=
0．5 k s)，可以看出，最大应力在管板与中心管
连接部位，总体应力 =159 MPa，此外管板与壳
体连接区域的应力也较大，总体应力or=91．99
MPa。图10，11示出了路径分析结果。
表7列出了全部分析结果，可以看出在此工
况下，在整个管程质量流速变化范围，管板与壳体
连接区域都是安全的。但是在管板中心部位，流
速6—9 kg／s之间出现局部薄膜应力超标。如果
换热器短时运行且只是快速通过此区域，则由于
超标幅度不大，对换热器管板中心的管子连接区
域性能影响不大；但如果换热器长期运行在这个
． 13 ．
工艺参数波动对预应力换热器安全性的影响
范围，则可能导致不安全。由于一次弯曲应力与
局部薄膜应力的叠加，导致管板与管子连接的接
头表面区域可能出现局部屈服甚至裂纹。
日
窖
_ -
×
黑
0．60 l-20
距离／x 10 rnm
图10 管程入口质量流速波动时换热器选定
路径1应力强度分布
塞
0
_ _
×
暇
0 0．6O 1 2O
离／×10一mm
1 1 管程人口质量流速波动时换热器选定
路径2应力强度分布
综上所述，从保守的观点来看，可以认为在壳
程流速小于6 kg／s的情况下，换热器是可以保证
安全的。
表7 仅受预变形载荷作用，不同管程入口质量流速下各路径强度 MPa
流速／ 0
． 5 0．75 1 1．25 1．5 k 1．75 3 5 5．8 6 7 9
g·s一 限制
(≤)
路径 1 2 l 2 1 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 1 2
P 38．9 8．3 45．3 9．6 5O．4 l0．6 48．2 l0．3 46．6 10 49．7 lO．6 48 10 49 l2 52 I2．8 53 I3 58 l4 51 I2．5 l40
P| +P B l37 66 160 77 l79 84 170 81 164 79 175 84 202 97 203 97． 7 209 lO5 210 l05 215 114 211 102 2】0
Pt +P B
159 92 185 107 207 l19 197 114 191 110 203 117 235 130 236 134 250 142 254 l45 276 157 246 140 420
+q
结论 、／ × 、／ X 、／ × 、／
(2)无预应力仅受温度载荷影响、受温度和 预应力载荷共同作用结果见表8。
表8 管程入口质量流速波动时预应力换热器安全区间
工艺参数 工况条件 安伞 间
仅受预变形载荷(安装状态) 0～6 kg／s
管程入口质量流速波动 无预应力仅受温度载荷(普通换热器状态) 0—9 k s，常规质量流速内安全
温度和预应力共同作用(预应力换热器工作状态) 0～10 k s，常规质量流速内安全
2．4 各种工况下的安全区间总结
由表9可以看出，预应力换热器的安全范围
大于普通换热器，说明预变形载荷对于消除管壳
式换热器的温差应力效果显著，可以大大减小管
板上承受的温差应力，显著消除管板与换热管及
壳体连接处的应力。并且在不同工况下，应该施
加在预应力换热器上的预变形有不同的最佳值。
只要确定该预变形载荷值，则预应力换热器应用
到工程实际中，就可以明显提高换热器工作时的
可靠性，延长换热器的有效工作寿命，体现出了预

第32卷第1期 压 力 容 器 总第266期
0．0004
0
0 0．025
路径y，mm
图19 无预应力时路径Y应变数据
0．0004
0．0002
0
路径X／mm
图20 预变形量为0．226 mm时路径 应变数据
O 0．025 0．050
路径Y／mm
图21 预变形量为0．226 mm时路径l，应变数据
可以看出，试验测试结果与路径 的分析结
果吻合度较好，其中，与路径 相对应的4号应
变片试验测试数据基本保持不变，且与仿真数据
差异太大，基本可以判定为坏点，路径y虽然与
测试结果有一定的偏差，但是偏差不是很大，趋势
还是与试验数据很吻合。总体而言，试验中的6
个测点中有5个测点数据与仿真数据比较吻合，
能够支撑模拟结果的正确性。由此可见，文中的
分析模型是可靠的，所采用的数值模拟方法也有
很高的准确性，基于不同管壳程工艺参数对预应
力换热器安全性的影响，对于指导预应力换热器
设计和应用具有很大的现实意义。
4 结论
(1)上述分析表明，当工艺参数发生波动时，
同时承受温度和预变形加载(即预应力)换热器
安全操作区间最大。以本文的案例为例，预应力
换热器的安全操作区间比常规同样条件下操作的
换热器增大了1．11—1．28倍，这说明，预应力换
热器比相同条件下操作的换热器安全性能提高了
1．11—1．28倍。也说明相同条件下，预应力换热
器具有更大的操作弹性，或具有更大的操作参数
波动变化的适应能力和更高的运行安全裕度。
(2)文中的分析和验证表明，当操作工艺参
数(如管壳程流量、温度等)发生变动时，换热器
的性能参数会随之波动或变化。但任何换热器对
于参数的波动有明确的阈值限制，这些阈值给出
了合理的操作参数区间和危险操作区域的分界，
对于生产过程操作工艺参数控制和关键换热器的
安全操作无疑提供了强有力的数据保障。而在限
定的阈值范围内操作时，破坏发生的可能大大降
低，安全性大幅度提高。
(3)通过研究分析可知，在文中研究范围，普
通换热器最可能发生破坏的位置是管子与管板和
管板与壳体连接区域；而预应力换热器最可能发
生破坏的位置是管子与管板的连接区域。通常都
是由于 +P 应力强度超标而引起的破坏。同
样操作条件下，预应力换热器的安全可靠性更高。
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作者简介：郭崇志(1956一)，男，副教授，主要从事过程装
备CAD／CAE技术研究工作，通信地址：510640广东省广
州市华南理工大学机械与汽车工程学院29号楼323B
室，E—mail：372571334@qq．conl。
通讯作者：周祥(1989一)，男，通信地址：510640广东省广
州市华南理：【大学29号楼323B室，E—mail：zhouxiang—
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