ASME中基于弹性理论的换热器管板简化分析
固定管板式换热器是石油化工行业中常用的单元设备，其中换热器管板起固定换热管并隔绝冷热流体的作用，以实现冷热流体之间的热量交换。换热器管板通常承受着比较复杂的载荷，如机械载荷、压力载荷以及热载荷等，因此换热器管板的设计尤为重要。随着化工行业产量需求越来越大，换热器的尺寸也随之增加，超出标准尺寸限制的大型换热器管板设计并无标准可循，因此需要用到基于有限元分析的分析设计方法。大直径管板上换热管数量巨大，建模和计算相当复杂，因此根据ASMEⅧDiv-1&2提供的方法和前人的研究成果，本文提出了两种大直径固定管板式换热器管板简化计算模型。 本文提出的第一种模型是将多孔板替换成具有有效弹性模量E*和有效泊松比v*的当量实心板，换热管采用BEAM188单元，其余部件采用SOLID185单元建立三维有限元模型。第二种模型是在当量实心板的基础上，将所有管子替换成若干与换热管支撑刚度相等的同心圆筒，然后圆筒采用BEAM3单元建模，其他部件采用平面单元PLANE182建立轴对称模型。上述两种简化模型计算所得的应力通过有效管孔削弱系数μ*的修正得到管板的真实应力。将模型一和模型二与三维实体模型管板应力进行对比，验证了本文所提出的两种简化模型的准确性与可行性，同时能够节省计算资源，提高分析设计效率。 最后本文还研究了不同圆筒数量对轴对称模型计算结果的影响，结果表明圆筒数量越多越精确。另外，ASME标准中将正方形布管管板有效弹性常数分为各向同性和各向异性，本文针对这两种情况做了计算对比，发现两种情况的计算结果很接近，表明两种选择均可使用。但是相对于各向同性有效弹性常数来说，各项异性有效弹性常数的求解非常复杂，因此推荐使用各项同性的有效弹性常数来进行简化计算。
石油化工设备;换热器管板;数值计算;简化模型;弹性理论
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
张雅琴
2016
中文
TE965
98
2017-01-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）