换热器接管的计算机模拟分析

2021-06-03 05:15古丽娜尔图尔逊

辽宁化工 2021年5期

古丽娜尔·图尔逊

（新疆应用职业技术学院化工技术系，新疆奎屯 833200）

零部件是构成设备最小的单元，化工设备有许多零部件所构成的，常见的化工设备有换热设备、储存设备、塔设备和反应设备。其中换热设备在整个化工设备投资中占50%，可想而知换热设备在化工生产和其他领域中应用比较广泛。最常见的换热设备之一就是固定管板换热器，固定管板换热器里的换热管固定在管板上，管板和壳体之间刚性连接，相互之间无相对移动形成不可拆式连接，因此就叫固定管板换热器，一般常使用于管程和壳程温差不大的换热场合。

换热管和壳体温差较大的时候必须在换热器壳体上设置膨胀节，当换热管和壳体温差超过50 ℃时，膨胀节发生弹性变形，主要是补偿换热管和壳体温度差异较大而引起的热膨胀。

1 换热器部件的基本设计

首先对换热器所有部件的尺寸进行计算和分析，确定固定管板换热器的换热管形式、换热管的定型尺寸、换热管的材料、换热管排列方式、封头形状、接管尺寸等。确定换热器管子数，通过初步计算换热管管子数为607根，管子排列方式为三角形排列，换热器壳体壁厚为8 mm，封头形式为椭圆形封头，支座为裙式支座，换热器壳程直径为1 000 mm，法兰确定为长颈对焊法兰，确定了换热器零部件定型尺寸。

2 工程常用软件UG、ANSYS的介绍

UG软件既能实现静态建模又能实现动态建模，在化工分析领域中可认为实用性较强的软件之一，在使用过程中首先根据最初确定的换热器所有零部件的定型尺寸和定位尺寸进行建模和按顺序装配，然后才能形成各个零部件安装齐全的一个整体。UG软件含有统一的数据库，在化工制图中常用的画图软件CAD之间能实现切换，就算没有数据也能实现自由切换，为我们提供了良好的分析界面。使用时发现UG 软件完全可以使用CAD的图线导入到UG里然后进行编辑，实现从参数转变模型的过程，也可以实现从三维建模直接生成二维图形，为我们提供了方便又直观的分析平台。

ANSYS软件是一种通用的有限元分析软件，与UG、CAD等软件接口能进行数据的交换，能进行数据的分析，可将对数据进行前处理、分析和后处理等步骤，整个过程完整而且具有较高的可靠性。ANSYS软件可以实现所建模型在电磁场、声场、流体动力学中的分析，也可以实现电磁场、声场、流体动力学等多种物理场的耦合分析，是为研究者提供有力数据的有用软件之一。

3 换热器管件部件的建模过程

在使用UG软件对于换热器进行建模时，首先启动“新建”命令，新建名称可以是每一个零部件的名称，因为最后进行装配时根据名称进行装配，所以强调新建名称就是零部件名称。第二步选择点击工具栏中的“特征”按钮。第三步通过选择“草图”按钮，对固定管板换热器所有零部件进行外部轮廓的绘制。第四步使用一些特征命令实现换热器零部件的建模。换热器基本形状为圆筒形，大部分零部件形状也是圆筒形，所以根据零部件的形状特点选择相应的特征命令，最常用的特征命令有：“回转”“拉伸”、“扫掠”等，如图1至图4所示。

图1 绘制椭圆形封头

图2 形成椭圆形封头

图3 确定封头开孔位置

图4 开孔

通过封头进行开孔，开孔部位安装接管，孔与接管装配尺寸与接管尺寸相匹配，第一步将筒体部件添加在组件中，第二步选择工具栏“装配”，点击“添加组件”按钮，第三步点击按钮确定即可完成导入的部件。按照此步骤以此类推完成所有零部件的装配。

图5 绘制接管

图6 形成接管图

图7 接管与封头、筒体装配图

4 使用ANSYS对换热器接管进行分析

使用UG 软件进行的模型使用与ANSYS 的工作平台导入到ANSYS当中。因为目前ANSYS的版本支持UG7.0环境下建的模型导入ANSYS当前工作平台中。进入ANSYS工作环境中使用软件的功能先对模型进行网格划分，网格划分后得到的单元可以是三角形、四边形或者是三角形与四边形的混合。网格划分越细，计算准确率较高，应力应变分布越明显，如图8、图9、图10所示。

图8 网格划分

图9 应力分布图

图10 应力分布图

5 结论

接管安装在是上封头中间的部分，通过使用ANSYS 软件进行分析得知开孔部位应力比较集中，应力值最高表现为红色，应力集中现象最严重，比较危险；应力值最低表现为蓝色，蓝色区域所受的应力最小，比较安全。黄色区域应力集中仅次于红色区域，也是应力集中较高的部分。从应力分析受力云图可看出危险点出现在椭圆封头与补强圈的焊接处，而从焊接处往外以同心圆的形式应力集中现象逐渐减弱。所以在设计与生产过程中要加强接管与封头焊接处的安全。