高压冷凝器管板的有限元分析及优化设计

摘要

随着我国煤矿开采深度的逐年增加，矿井热害问题日益突出，给矿井的安全、正常生产带来了严重影响。为了解决深井高温热害，研究人员目前采用空调降温系统，该系统对深井高温环境有良好的改善作用。
　　 在深井空调系统的设计中，换热器是其中的一个重要部分。置于深井中的换热器温差相对较小，但是却需要较大的压差。在大压差的作用下，换热器的应力情况比较复杂，尤其是换热器的管板。管板是换热器中最重要也是最复杂的承压部件。它对换热器的安全性和经济性有着极重要的影响。
　　 本论文通过使用ANSYS程序建立了包括壳体、管束在内的管板三维实体有限元模型。在此基础上，分析了管板的温度场分布，得到管板上温度的分布规律为：在管板的布管区，管板大部分的厚度上温度接近流经该处换热管的管程流体温度，只在管板靠近壳程流体一侧很薄的一层管板材料内温度才接近该处附近壳程流体温度。并按照应力分析设计标准JB4732-1995分析了管板在开工、正常工作和停车等过程中可能出现的七种瞬态和稳态操作工况下的强度状况。强度分析结果表明：除了简体的一次薄膜应力起控制作用外，管板的强度控制因素是位于管板与简体连接处的一次应力加二次应力。在壳程侧，管板在较薄的厚度内存在较大的热应力，主要是由此处较大的温度梯度导致产生的。
　　 通过有限元分析得知，管板的原始设计是安全的，文中对设计方案进行了改进，并对结构进行了优化。调整后的管板应力分布情况得到了改善，优化后的管板系统重量与之前的相比，减少了20％，优化效果明显。这种有限元分析方法，很大程度上减少了设计成本和设计周期。这对换热器管板的设计具有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 国内外对换热器管板的研究进展

1.2.1 国外主要规范

1.2.2 国内主要规范

1.3 管壳式换热器管板强度分析的有关理论

1.3.1 平板理论

1.3.2 多孔当量实心圆板理论

1.4 本课题的前人研究结果

1.5 本课题的研究目的和意义

1.6 研究的内容与目标

第2章 冷凝器管板三维有限元分析模型的建立

2.1 有限元分析概述

2.2 冷凝器的几何尺寸及主要工艺参数

2.3 冷凝器的材料数据

2.4 有限元模型的建立

2.4.1 模型的简化

2.4.2 单元类型

2.4.3 参数化模型的建立

2.5 边界条件

2.5.1 管板兼作法兰结构中法兰力矩的施加

2.5.2 位移和载荷及温度边界条件的施加

第3章 冷凝器管板热应力分析

3.1 热分析方法概述

3.2 温度场分布

3.3 热应力分析讨论

3.3.1 耦合方法的选取

3.3.2 热应力计算结果

3.4 本章小结

第4章 冷凝器管板应力场分析与强度校核

4.1 应力强度评定方法

4.2 不同工况下的强度校核

4.2.1 管程压力单独作用下的讨论

4.2.2 壳程压力单独作用下的讨论

4.2.3 壳程压力和管程压力共同作用下的讨论

4.2.4 热载与管程压力作用下的讨论

4.2.5 热载与壳程压力作用下的讨论

4.2.6 热载、壳程压力与管程压力共同作用下的讨论

4.3 本章小结

第5章 改变换热器管板结构的有限元分析

5.1 调整后的管板结构形式

5.2 有限元分析结果讨论

5.3 本章小结

第6章 管板结构的优化设计

6.1 优化设计理论

6.2 优化设计基本概念

6.3 管板的优化设计

6.3.1 管板的工作条件与结构模型

6.3.2 优化设计模型

6.3.3 管板结构优化结果与评定

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

附录