基于热应力模拟的U形管换热器结构改进

周 雍， 王晓枫， 铁巍巍

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009）

传统U形管换热器的管束由U字形弯管组成，管子两端固定在同一块管板上。在换热器工作的过程中，U形管受到的工作压力主要有2个来源：①管程、壳程的操作压力对U形管产生轴向推力；②由于壳程隔板以上U形管与壳程隔板以下U形管存在较大的温度差，使得U形管上、下两部分之间存在变形差，当变形受到约束以后，会产生较大的热应力［1］。

由于U形管与管板结合处存在较大的结构突变，在这2种工作压力共同作用下，管、板的焊缝结合处会产生较大的应力及变形，当应力与变形超出一定极限时会导致U形管与管板结合处结构破坏，从而发生泄漏，破坏换热器的正常工作［2］。针对此情况，本文采用双管板结构的U形管换热器，用来减小管、板焊缝处的应力，以达到改善换热器工作性能的效果。

1 传统U形管换热器热应力的计算分析

1.1 换热器工作介质及参数

本文研究的换热器对象是化工行业所用换热器，利用冷却水冷却润滑油。

换热器管程流体为润滑油，壳程流体为水，该换热器利用20℃的冷却水将100℃的润滑油冷却到70℃。根据理论计算以及CFD软件FLUENT的模拟验算［3－4］，得出冷却水的出口温度为27℃。

1.2 操作压力对U形管产生的轴向推力

图1所示为受操作压力产生的作用于U形管上的轴向力示意图，由于U形管换热器壳程内、外侧的面积不同，又由于壳程压力较高，故会产生轴向应力。作用在U形管外侧的轴向力为p（2R＋d0）d0，作用在U形管内侧的轴向力为p（2R－d0）d0，因而产生的轴向力为：