自紧密封U型管式换热器的有限元分析

论文摘要

管壳式换热器是石油化工业中广泛应用的典型工艺设备,管壳式换热器受力非常复杂,正确分析管壳式换热器受力状态,对保证换热器安全运行、节约材料以及对整体换热器的经济性等起到非常重要的作用。综合国内外各类文献资料,平垫自紧密封结构在换热器管板密封中的工程应用实例很少。同时,自紧密封U型管式换热器的整体有限元分析还没有人开展。本文以此契机,对自紧密封U型管式换热器进行了力学行为的研究。本文介绍了管壳式换热器常见的几种结构型式以及U型管式换热器管板的密封类型。对于自紧密封U型管式换热器的管板无法采用传统方法进行设计计算,因此本文应用有限元数值分析方法,对自紧密封U型管式换热器的温度场和应力场进行了研究。由于常见密封结构的计算没有关于平垫自紧密封的计算方法,所以本文进行了平垫自紧密封的相关理论计算,并通过仿真模型的有限元分析验证密封计算式的正确性。自紧密封U型管式换热器的温度场分析部分,介绍了温差应力的产生原因及温度场的分析方法,合理地建立了换热器温度场分析模型,对模型进行了网格划分和加载,求解得到了温度场的分布情况,并对各条路径结果进行了分析与规律总结。研究了自紧密封U型管式换热器上的应力分布情况。根据国标对七种操作工况下管板的应力进行了分析以及强度评定,管板应力强度校核合格。选择了七条路径,研究了管板各路径上的总体应力和局部薄膜应力的分布特点。通过对管板的应力分析,最危险工况及危险部位为自紧密封U型管式换热器的管板与凸台连接处和U型管的弯管处。为自紧密封U型管式换热器的结构设计提供参考。本文对自紧密封U型管式换热器整体建模与局部建模的管板受力进行对比。对模型变化后管板应力的变化情况,以及换热管内、外壁处的应力及其轴向应力的改变。本文全面深入的研究了自紧密封U型管式换热器,分析总结了自紧密封U型管式换热器的力学行为特点,并提供了大量的分析结果,对于该类型换热器的进一步研究具有一定的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题目的和意义
• 1.3 换热器分类及其发展趋势
• 1.4 管壳式换热器相关理论
• 1.4.1 换热器管板分析方法的发展
• 1.4.2 有限元分析方面的研究现状
• 1.5 研究内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 建立自紧密封 U 型管式换热器整体有限元模型
• 2.1 有限元数值分析方法和ANSYS 通用有限元程序简介
• 2.1.1 有限元数值分析的方法简介
• 2.1.2 ANSYS 有限元软件简介
• 2.2 自紧密封U 型管式换热器的有限元模拟
• 2.2.1 本课题换热器结构
• 2.2.2 模型主要尺寸
• 2.2.3 工艺参数
• 2.2.4 材料特性参数
• 2.3 有限元模型的简化
• 2.4 自紧密封U 型管式换热器有限元模型的建立
• 2.4.1 单元类型的选择
• 2.4.2 网格划分及建模
• 2.4.3 边界条件的施加
• 2.4.4 自紧密封的计算及螺栓预紧力的确定
• 2.5 本章小结
• 第三章 自紧密封 U 型管式换热器稳态温度场分析
• 3.1 温度场分析原理
• 3.1.1 温差应力的产生
• 3.1.2 热分析方式的确定
• 3.2 模型的建立与载荷的确定
• 3.3 温度场的分布情况
• 3.4 路径结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 自紧密封 U 型管式换热器应力分析和强度校核
• 4.1 应力分析的基本理论及应力的分类及校核方法
• 4.2 应力的种类及强度判定条件
• 4.3 管板的七种操作工况
• 4.4 应力场的模型及载荷
• 4.4.1 应力分析中采用的模型
• 4.4.2 应力场的载荷与边界条件
• 4.4.3 壳程先开的工况下的分析（工况3）
• 4.4.4 管程先开的工况下的分析（工况2）
• 4.4.5 管、壳程同时开的工况下的分析（工况4）
• 4.4.6 管、壳程同时停的工况下的分析（工况7）
• 4.4.7 管程先停的工况下的分析（工况5）
• 4.4.8 壳程先停的工况下的分析（工况6）
• 4.4.9 正常操作工况下的分析（工况1）
• 4.5 本章小结
• 第五章 自紧密封换热器整体建模与局部建模分析对比
• 5.1 局部建模应力的研究
• 5.1.1 局部建模后管板的结构尺寸
• 5.1.2 局部建模管板的单元选择、建模与加载
• 5.2 整体建模与局部建模管板温度场对比
• 5.3 整体建模与局部建模管板应力的对比
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 论文摘要