图3-3 上管板_零件图01
图3-4下管板_零件图02
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图3-5 折流板_零件图03
图3-6 支架底片_零件图04
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第4章 换热器的有限元分析
第一节 换热器有限元分析的假设和分析方法
由于条件的限制，经典的换热器设计理论主要做了以下两点明显简化：第一，将温度载荷对换热器的影响简化为由于管程和课程轴向上的膨胀差而产生的应力；第二，把整个管板当作被换热管消弱了的实心当量板，并且没有考虑管板前后面巨大的温度差对管板可能的影响[10-11]。应用这些经典理论计算的换热器的数学模型，其分析结果存在很大的误差，也有很大局部性。随做计算机科学技术的飞速发展，有限元分析技术在换热器结构优化中越来越显示出巨大的作用。如果计算机性能能达到大型模拟的要求可以建立实际的换热器的三维模型，可以对设计出的换热器的性能进行很好的了解。但这样的计算量太大，计算时间太长，主要是对计算机的性能要求太高。因此对于一般设计的换热器，在计算机性能不能达到整体建模有限元分析的情况下，可以对设计换热的结构参数进行简化和采用相似结构的换热器进行分析，对换热器的重要部件进行详细的分析（如管板和折流板等结构），并且忽略非重要结构对设计换热器有限分析的影响。
具体到所要分析的设备，它具有高温高压无膨胀节的突出特点。对这台换热结构进行有限元分析是一项挑战性工作，主要困难包括：
1). 换热器布局整体上的结构不对称给模型简化带来的困难。包括几何上的结构不对称和尺寸上的巨大差距；
2). 高温下管板和管子的温度分布情况复杂，它们之间的热传递关系不能得到完全的认识，只能通过测量得到换热器金属管壁的温度；
3). 换热器壳程工作介质的流动情况相当复杂，要完全的透彻的分析比较困难； 4). 换热器壳程的建模比较困难，主要是换热管折流板之间的流通区域比较难建模； 5). 换热器整体建模有限元分析计算量非常大，对于一般的计算机性能要求比较高； 6). 换热器局部有限元分析可能存在比较大的分析误差，主要由于实际换热器工作中的边界条件比较复杂不容易设置和分析。
7). 一个换热器结构的有限元分析模型只有在充分考虑这些因素分析结果才比较合理可靠，因此在换热器结构参数中，由于所设计的换热器没有采用膨胀节，温差引起的应力可能是由于换热器不安全工作的主要决定因素，这在对换热器的结构分析中至关重要。所以必须对这部分重要考虑和分析。
8). 本课题使用proe建立三维的简化的实体模型，运用欧特克公司的有限元软件algor 2011建立了换热器有限元分析模型。该模型考虑了换热器的几何和尺寸上的不对称性、在高温下复杂的温度场和在换热材料的物性差异不同的情况下换热器的应力和应变。
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第二节 Algor 多物理场耦合有限元分析软件介绍
ALGOR是新一代的CAE分析工具，在汽车、电子、航空航天、医学、军事、电力系统、石化、土木工程、微机电系统、日用品生产等诸多领域中均得到了广泛的应用。 ALGOR核心代码起源于1970年开发的SAP程序，它是由美国加州大学伯克利分校的K.J.Bathe、E.L.Wilson和F.E.Peterson等人共同研制。ALGOR最初在中国出现时被称为“SUPER SAP”。在1995年，ALGOR公司推出了在Windows95环境下运行的Windows版本的ALGOR95。在ALGOR V14版本中，引入了多物理场分析功能，使ALGOR软件在综合分析能力更强大，软件操作更简便。主要功能包括几大类，1）静力学分析功能2）线性动力学分析3）非线性动力学分析4）热传导分析功能5）流体分析功能6）静电场分析功能7）管道设计及分析功能8）压力容器设计向导（PV/Designer）9）DDAM（水下爆炸和冲击模拟）10）疲劳分析11）多物理场分析功能。支持多CAD软件协调的前处理和分析如Pro/E，Alibre Designer，Solid Edge，IronCAD，SolidWorks，UG，CAXA Solid，CATIA，Inventor，AutoCAD等现在众多的世界上主流的CAD软件的复杂实体模型。Algor可以与多种有限元分析软件进行模型数据的交换，包括ANSYS (. c db，.ans)，NASTRAN(.nas，.bdf，.dat，.op2)，FEMAP(.neu)，PATRAN(.pat)，SDRC I-DEAS(.unv)，Stereolithography(.stl)，Blue Ridge Numerics(.neu)。由于algor软件完全采用window风格的图形化界面，它采用工程化语言描述，尽量少地涉及有限元概念，这对熟悉window系统的设计员、分析人员来说非常容易学习和操作，被誉为“世界上学习周期最短的多物理场分析软件”[12]。
第三节 换热器有限元分析模型的建立
换热器的工艺参数如表8所示。由于现有的计算条件的限制，不可能全部采用实体单元进行模拟，并且对于设计出来的换热器进行整体建模比较麻烦。因此在既考虑精确度。又保证准确的同时，本论文采用简化的模型对换热器进行有限元分析，对于壳程分析采用二维的模型对流场和温度场进行分析；管程有限元分析模型采用简化的五管结构进行分析，重要部件采用实体的三维模型进行精确的有限元分析，如折流板和管板结构等。分析步骤，首先先分别建立独立换热器管程五管带浮头换热器的实体有限元模型，然后在建立换热器壳程的有限分析模型。最后综合考虑在管程模型中的温度场分布和在壳程的温度场分布相互作用下对换热器重要部件的热应变影响。
表 8 换热器工作介质参数
工作介质 空气 水 设计温度 进口温度/℃ 150 300 出口温度/℃ 230 200 设计压力/MPa 0.8 5 壳程 管程 27
第四节 换热器模型简化
由于所要分析的换热器是在高温高压下工作的设备，管程和壳程的设计温度与实际工作温度相差都很大，因此，温差产生的热应力不能按照国家标准中那样做过多的简化。在没有膨胀节的设备中有可能温差产生的应力在整个设备中起了非常重要的作用。国家标准中并没有计算换热器的温度场，显得非常粗略，所使用的规范，对于高温高压下此种换热器不推荐使用。
在经典的换热器分析中，对换热器温度问题的处理大多是做以下两种方式的简化：第一，将换热器存在的温度场忽略；第二，分别将管程温度和壳程温度平均化，然后求管程和壳程之间形成的热膨胀差引起的应力，而将管板厚度方向的热应力忽略掉[13]。以上处理虽然使问题得到简化，但如果用来处理高温高压下换热器时，却与实际情况相差较远。另一方面，实际中换热器液体的流动状态十分复杂，要想得出实际情况下的温度场，进而求出精确的热应力很困难。因此，在考虑现有条件下，对模型的边界条件做出适当的简化，以能够满足工程上计算精度的要求，是一种可行的途径。本章充分考虑现有条件下对换热器做热分析，通过选择适当的分析方法，得出换热器复杂的温度场，以作为后面结构分析得有效载荷。这也是热分析的目的。在计算出温度场以后，可以将其作为载荷加入到结构的热分析中去，通过分析热应力的大小，来评定温度对整个换热器设备的影响。本课题在保证分析精确性的前提下，对换热器的模型做一下简化。
1) 在对换热器的管程进行分析时，本课题采用五管结构进行分析，并将换热器的整体尺寸参数缩小10倍，换热管轴向方向采用6个折流板间距的长度（即为130mm的长度，以便与壳程仿真得到的温度场结果进行耦合分析）。在对管板两边的浮头结构进行分析时，本课题采用了直接分析的方法对浮头结构换热器直接建立实体有限元模型如图4-1所示。
图4-1换热器有限元分析三维实体模型
2) 对于壳程进行结构分析时由于壳程的流体区域相对比较复杂难于建模和计算量太大，本课题在对壳体流体进行分析时主要采用二维的流体模型进行温度场分析，换热管方向采用6折流板间距（即1300mm）进行分析，壳程流场分析的二维模型图如图4-2所示。
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