全焊接板式换热器的轻量化及承压能力研究

摘要

近几十年板式换热器的应用越来越广，这得益于其紧凑的结构和较高的换热效率。全焊接板式换热器比传统的可拆式板式换热器可适应更高的温度和压力，从而进一步拓宽了其应用的范围和领域，发展前景更加广阔。对于板式换热器的研究多集中于流道内部的传热和流动，关于设备强度的研究甚少，同时由于相关标准的不完善，全焊接板式换热器的强度设计存在诸多问题，本文以某全焊接板式换热器为研究对象，就其整体强度的设计、换热板片相关性能，进行了以下研究:
　　1、选用有限元分析方法，运用ANSYS建立全焊接板式换热器有限元实体模型，施加压力载荷，进行了常温下的应力分析计算，并按照JB/T4732标准进行了强度校核。结果发现该初始设计的板式换热器，左侧接管与左弧形板连接处强度不能满足要求，但其他部件强度裕量较大。
　　2、由于该全焊接板式换热器结构复杂，承压和承力件多，连接面多，若采用应力分类方法进行强度设计，往往出现应力分类难度大，危险界面不好确定等问题，难以取得可信的结果。针对此问题，选用分析设计中的极限分析方法，建立适合于极限分析的全焊接板式换热器有限元模型，对壳程和板程分别加载，计算得到壳程的许用极限载荷值为2.6MPa，板程许用极限载荷值为3.524MPa，均大于设计压力，说明该全焊接板式换热器整体强度满足工作需要，有一定的安全裕度。
　　3、为进一步提升设备的经济性和性能的优越性，进行了轻量化设计和承压能力提高研究。当压紧板厚度调整为30mm，左右弧形板厚度调整为12mm，上下弧形板减薄为8mm时，仍可以满足设计压力要求，减薄量较大。而为了提高承压能力，同时考虑密封的要求，选用了四种途径进行结构改进，分别是单纯加厚、接管补强、增高加强筋和加粗拉杆。在本论文的计算中，当压紧板厚度仍为60mm、弧形板厚度为20mm、全部接管加厚至14mm，加强筋高度在原图纸基础上增高60mm且拉杆直径为34mm时，壳程和板程许用极限载荷值分别可达到6.22MPa和4.907MPa。
　　4、对板片挤压、热应力和变形等问题进行了初步研究。板片在1.8MPa压力的挤压下位移量很小，不会被压扁变形挤压流道，板片之间的相互支撑及波纹板本身的刚度确保了板束一定的承压能力。在相同的温度载荷下，对比位移结果，发现平板的热变形补偿能力不如波纹板;热应力方面，波纹板在应力不连续处应力应力水平较高，但其余部位平均应力水平低于平板;边界反力方面，平板边界反力约为波纹板的6.5倍，相差很大。当平板材料的杨氏模量为1.556×1010 Pa的等效杨氏模量时，受相同拉力作用时平板产生的变形与波纹板产生的变形量一致。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题来源及研究的目的和意义

1．2 板式换热器概述

1．3 板式换热器的研究进展

1．3．1 实验研究

1．3．2 数值模拟研究

1．4 板式换热器的相关标准

1．5 本文的研究内容

第二章 全焊接板式换热器的应力强度分析与校核

2．1 分析方法及数值模拟软件的选用

2．1．1 有限元方法简介

2．1．2 数值模拟软件简介

2．2 全焊接板式换热器介绍

2．2．1 主要结构

2．2．2 设计参数

2．3 创建有限元模型

2．3．1 几何模型

2．3．2 材料属性

2．3．3 网格划分

2．4 载荷及约束的施加

2．4．1 载荷

2．4．2 约束

2．5 计算结果与强度校核

2．5．1 计算结果

2．5．2 强度校核依据

2．5．3 强度校核结果

2．6 本章小结

第三章 全焊接板式换热器的极限分析设计

3．1 极限分析方法

3．1．1 极限分析背景介绍

3．1．2 极限分析理论

3．1．3 极限载荷的确定方法

3．2 创建有限元模型

3．2．1 几何模型和材料属性

3．2．2 网格划分

3．3 载荷及约束的施加

3．4 计算结果及讨论

3．4．1 壳程单独加载结果

3．4．2 板程单独加载结果

3．5 本章小结

第四章 全焊接板式换热器的轻量化和承压能力研究

4．1 轻量化设计

4．1．1 结构参数的改变

4．1．2 结果及讨论

4．2 承压能力提高之单纯加厚

4．2．1 A组方案及结果

4．2．2 B组方案及结果

4．3 承压能力提高研究之接管补强

4．3．1 C组方案及结果

4．4 承压能力提高研究之增高加强筋

4．4．1 D组方案及结果

4．5 承压能力提高研究之加粗拉杆

4．5．1 E组方案及结果

4．6 本章小结

第五章 全焊接板式换热器换热板片强度与刚度初步研究

5．1 板片挤压模拟

5．1．1 模型建立

5．1．2 载荷和边界条件的施加

5．1．3 结果分析

5．2 板片热应力对比模拟

5．2．1 模型、载荷及边界条件

5．2．2 结果对比

5．3 纵向刚度分析

5．3．1 基本公式

5．3．2 模拟及计算

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 对后续研究的展望

附录

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介