ANSYS的双管板换热器管板厚度设计探讨
基于ANSYS的管板有限元分析及其优化设计
基于ANSYS的管板有限元分析及其优化设计作者：王战辉马向荣范晓勇来源：《当代化工》2019年第03期摘 ;;;;;要：换热器中的管板除了承受管程压力和壳程压力之外，还要承受热流体和冷流体由于温度梯度所带来的温差应力，管板的受力情况复杂多变，严重影响换热设备的经济性和安全性。
利用ANSYS有限元分析软件对管板进行了应力和热-应力耦合分析，比较了其应力云图的分布特点，再对7种工况下的应力进行评定，最后以管板质量为目标函数，以管板厚度为设计变量，以管板最大应力为状态变量，对管板进行结构的优化分析，所得结论对于换热器中管板的优化具有一定的指导意义。
关 ;键 ;词：管板;ANSYS;应力;优化中图分类号：TQ 657.5 ;;;;;文献标识码： A ;;;;;;文章编号： 1671-0460（2018）03-0602-04Abstract： In addition to tube pressure and shell pressure， tube plate in the heat exchanger also bears temperature difference stress caused by thermal fluid and cold fluid due to temperature gradient. The force of tube plate is complex and changeable， which seriously affects economy and safety of heat exchanger. Therefore， ANSYS finite element analysis software was used to analyze the stress and thermal stress coupling of tube plate， distribution characteristics of stress cloud map were compared， and then the stresses in seven working conditions were evaluated. Finally， tube plate mass was used as objective function， tube plate thickness was used as the design variable and tube plate maximum stress was used as the state variable， optimization analysis of tube plate structure was carried out.Key words： Tube plate ; ANSYS; Stress; Optimization换热器也称换交热器，是一种能在热流体和冷流体之间交换热量的装置。
双管程换热器管板的有限元分析计算
双管程换热器管板的有限元分析计算
门伟
【期刊名称】《科技与企业》
【年(卷),期】2016(000)001
【摘要】本文采用了建出与管板接触的管箱法兰,在管箱法兰端部施加固定约束,并在管箱法兰与管板法兰接触的密封面处设置接触的方法进行管板有限元分析.这样所得结果与实际贴近,不会因约束管板局部位置而造成不合实际的应力集中现象,且克服了传统管板计算理论的局限性.计算完成后发现温度产生的应力很大,于是对管板结构进行了改进优化,优化后的管板应力降低,各路径的应力均满足JB4732-95的规定.
【总页数】3页(P223-225)
【作者】门伟
【作者单位】山东豪迈机械制造有限公司潍坊 266045
【正文语种】中文
【相关文献】
1.换热器管板布管程序的开发与应用 [J], 黄之军;王静;刘鸿彦
2.多管程管壳式换热器管板隔板槽面积计算 [J], 范勇波
3.单管程浮头换热器浮动端的法兰和环形板的合理计算方法 [J], 李英;杨良瑾
4.单管程浮头换热器中夹持环形板的校核计算 [J], 李英
5.单管程浮头换热器的管板强度计算 [J], 王伟
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ANSYS workbench换热器设计中的结构问题和最佳实践
全焊接板式换热器极限载荷分析
• 全焊接板式换热器极限载荷分析
◦ 板式换热器结构紧凑，换热效率高，但现行标准中并无相关设计方法
◦ 大型板片（压紧板与波纹换热板等）结构几何不连续，采用分析设计标
准后，应力分类难度较大
• 解决方案
◦ 极限载荷设计法，以替代对于结构一次应力的校核
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• 在满足强度条件下，减少管板厚度，找到满足强度条件下换热器管
板厚度的最小值，从而减轻换热器重量，降低成本。
350
300
250
MEMBRANE PLUS BENDING (MPa)
200
150
100
管板筒体 衔接处PH1 管板球形封头 衔接处PH1 管板PH1 管板PH2 管板PH3 a接管PH1 a接管PH2 a接管PH3 人孔PH1 人孔PH2 人孔PH3 b接管PH1 b接管PH2 b接管PH3 球形封头PH1
ANSYS UGM 2017
演讲目录
•换热器设计中的结构仿真需求分析
•换热器结构仿真分析的解决方案及关键技术 •换热器设计的结构仿真最佳实践
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August 3, 2017
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管板全六面体结构网格划分技术
• 管板网格划分技术
◦ 管板上换热管孔数量多，几何模型高度不连续，网格划分难度较大
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绕管式换热器分析设计
• 实体单元与梁单元结合的网格对管束进行有限元建模
◦ MPC技术实现连接梁单元与实体单元
◦ 降低网格数量
◦ 协调不同单元自由度
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双管板换热器的设计与制造
双管板换热器的设计与制造简介双管板换热器是一种广泛应用于化工、制药、石油、食品等行业的换热设备。
其主要作用是将一个流体的热量传递给另一个流体，从而达到加热、冷却、蒸发等处理目的。
相比于传统的管壳式换热器，双管板换热器具有体积小、传热效率高、维修方便等优点，因此被广泛应用。
本文将从双管板换热器的设计、制造和使用等方面进行介绍。
设计热传递计算双管板换热器的设计需要进行热传递计算，以确定板片的数量和表面积。
一般情况下，热传递计算需要考虑以下因素：•流体的温度、压力和流量•热传递系数•固体传热能力•换热器的体积和形状•板片的布局和数量•热负荷和热效率要求在进行热传递计算时，可以使用一些工具和软件来辅助计算。
例如，可以使用ANSYS FLUENT软件对流体和固体传热进行模拟和计算。
此外，还需要考虑流体和固体之间的传热方式，包括对流、辐射和传导等。
板片的设计板片的设计是双管板换热器中最重要的部分之一。
一般情况下，板片的设计需要考虑以下因素：•材料的选择：板片材料需要具有良好的耐腐蚀性和传热性能，常见的材料包括不锈钢、镍合金等。
•板片的形状和大小：板片的形状和大小需要根据换热器的具体应用来确定，一般情况下，板片的宽度在2-10mm之间，间距在2-10mm之间，板片总面积应当满足热传递计算的需求。
•板片的密度和布局：密度和布局的选择需要考虑到流体的流量和热负荷等因素，一般情况下，板片的间距和布局需要满足流体的流速和热传递计算的需求。
•板片的安装方式：板片的安装方式需要考虑到维修和清洗等因素，一般情况下，板片需要可以方便的拆卸和安装。
其他设计因素除了板片的设计之外，双管板换热器的设计还需要考虑以下因素：•进出口管道的设计：进出口管道需要满足流量和压力的要求，一般情况下，可以使用方形、圆形或矩形形状的进出口管道。
•头部和底部的设计：头部和底部需要满足与板片的对接要求和防泄漏要求，一般情况下，可以使用法兰连接、焊接或密封槽连接等方式。
换热器管板厚度标准
换热器管板厚度标准
换热器是化工设备中常见的一种设备，用于传热和冷却过程。
而换热器管板作为换热器的重要组成部分，其厚度标准对于换热器的安全运行和传热效果起着至关重要的作用。
本文将围绕换热器管板厚度标准展开讨论。
首先，换热器管板的厚度标准需满足一定的强度要求。
在换热器工作过程中，管板需要承受来自介质压力和温度的作用，因此管板的厚度需要能够承受这些力的作用，确保换热器的安全运行。
一般来说，管板的厚度需要满足相关标准和规范的要求，以保证其强度和稳定性。
其次，换热器管板的厚度标准也需要考虑传热效果。
管板的厚度会对换热器的传热效果产生影响，过厚或者过薄的管板都会影响换热器的传热效率。
因此，在确定管板的厚度标准时，需要综合考虑介质的传热特性、管道的流体动力学特性等因素，以确定最佳的管板厚度，以提高换热器的传热效率。
另外，换热器管板的厚度标准还需要考虑制造工艺和成本因素。
过厚的管板会增加材料成本和制造难度，而过薄的管板则可能会影响换热器的安全性和稳定性。
因此，在确定管板厚度标准时，需要综合考虑制造工艺的可行性和成本的控制，以确定最经济合理的管板厚度。
总的来说，换热器管板的厚度标准是一个综合考虑多种因素的问题，需要在保证换热器安全运行和传热效果的前提下，兼顾制造工艺和成本因素，确定合理的管板厚度。
只有这样，才能保证换热器的正常运行和长期稳定性。
因此，在设计和制造换热器时，需要严格按照相关标准和规范要求，合理确定管板的厚度标准，以确保换热器的性能和安全。
基于ANSYS的双管板换热器管板厚度设计探讨
基于ANSYS的双管板换热器管板厚度设计探讨杨玉强1，贺小华2，杨建永1（1．南京市锅炉压力容器检验研究院，江苏南京210002；2．南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京210009）摘要：由于双管板换热器管板结构的多样性，其管板厚度设计方法目前国内没有标准可依。
针对某U型管及固定管壳式换热器双管板结构，根据SW6软件相应模块进行管板厚度近似计算，在此基础上采用ANSYS软件对管板结构进行热应力分析和优化设计，进一步讨论了聚液壳结构的影响。
分析结果表明，双管板换热器管板厚度采用SW6软件近似计算是安全的，但结果过于保守。
有限元优化设计有效地降低了管板厚度，为双管板换热器管板设计提供了有效手段。
关键词：双管板换热器；管板厚度；聚液壳；热应力；有限元优化设计中图分类号：TQ051．5；O241．82 文献标识码：A文章编号：1001－4837（2010）10－0030－06doi：10．3969/j．issn．1001－4837．2010．10．006 DiscussiononThicknessDesignofTubesheetforDoubleTube－sheetHeatExchangerbyANSYSYANGY u－qiang1，HEXiao－hua2，YANGJian－yong1（1．NanjingBoiler＆PressureVesselSupervisionandInspectionInstitute，Nanjing210002，China；2．Col-legeofMechanicalandPowerEngineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，China）Abstract：Duetothediversityofthetubesheetconstructionfordoubletube－sheetheatexchangers，thereisnonationaldesignstandardfortubesheetdesign．TheapproximatecalculationoftubesheetbasedonSW6softw arewasmadeforU－tubeandfixedshellandtubeheatexchangers，andthethermalstressa-nalysisandoptimizationdesignoftubesheetweremadebyANSYSsoftware，furthermore，theeffectoftheliquidgatheringshellwasstudied．Theresultsshowthattheapproximatecalculationofthedesignthick-nessoftubesheetfordoubletube－sheetheatexchangersbySW6softwareissafe，buttheresultiscon-servative．Optimizationdesignbasedonfiniteelementanalysishaseffectivelyreducedthedesignth ick-nessoftube－sheetandprovidedaneffectivemeansforthedesignoftubesheetfordoubletube－sheetheatexchangers．Keywords：doubletube－sheetheatexchanger；thicknessoftubesheet；liquidgatheringshell；thermalstress；finiteelementoptimizationdesign符号说明：L———双管板间距，mm f———换热管挠度，mm Db———排管圆直径，mmσt———换热管材料的屈服限，Mpa Et———换热管材料的弹性模量，MPaσtt，σss，σst———换热管端面拉应力、壳程筒体端面拉应力、换热管端面压应力，MPa［σ］———管板材料许用应力强度，MPaA1，A2———管板1和管板2在优化设计中的厚度，mmSMAX1，SMAX2———管板1和管板2在优化设计中的应力强度，MPaPs，Pt———壳程和管程设计压力，MPaAs，At———管板壳程侧和管板管程侧有效受压面积，m2Do，Di———壳程筒体外径和内径，mdo，di———换热管外径和内径，mNsh，Ntu———壳程筒体、管束内力，形量，mΔlEJ———每一个膨胀节产生的轴向变形量，mR———膨胀节的半径，mαsh，αtu———壳程筒体、管束材料的热膨胀系数，℃－1Δtsh，Δttu———壳程筒体、管束操作温度与制造装配温度的差值，℃Ash，Atu———壳程筒体、管束的横截面积，m2I———膨胀节惯性矩，m4E———膨胀节材料的弹性模量，MPal———壳程筒体的总长度，m0引言双管板换热器是在换热器一端设有一定间距的两块管板或相当于有一定间距的两块管板的换热器。
双管板换热器的结构及制造工艺合理设计
双管板换热器的结构及制造工艺合理设计一、双管板换热器结构设计准备工作（一）结构初步规划对于一项双管板换热器而言，其结构主体上有4块管板，主要结构状态如下：首先是法兰式管程侧管板，有两块，其与管箱法兰之间的连接使用垫片以及螺柱，同时联通换热管、管道共同组成管程。
换热管与管程侧管板之间的连接可采用贴胀与强度焊联合方式，在介质选择上也适应于条件偏向苛刻程度的介质。
非法兰式的壳程侧管板与壳体之间的的连接让壳程更具完整性，在换热管与壳程侧管板之间的连接方式为强度胀接。
在结构中，壳程管板与换热管之间又可以构成两腔积液程，由此产生形态特殊的四腔结构。
（二）選材控制材料的选择关系到双管板换热器的使用稳定性以及安全性，因此选材是结构设计的关键。
在材料选择方面，首先应考虑介质特性，重点放在抗腐蚀方面，并根据用户需求加以调整，保障在压力以及操作温度方面不会对工艺性能产生不良影响。
换热管与管程侧管板之间的连接使用贴胀加强度焊型式，锻件级别为Ⅱ级。
由于换热管与壳程侧管板之间的连接属于强度胀接，因此要求管板质量高，故锻件级别为Ⅲ级。
同时，鉴于管板材料在硬度值方面要与双管板换热器约在HB20-30之间，从理论上来说不锈钢管板与换热管之间的硬度应属于同一水平，但在实际硬度测量中发现，硬度变化能够通过材料供应以及材料选择实现。
在具体设计制造环节中，设计人员同样需要对换热管与管板管孔之间的间隙严格把关，利用“特殊紧配合”原则减少管板材料与换热管之间由于硬度差带来的不良影响。
需要注意的是，换热管HBW硬度要求应在评定实验中明确指出。
二、结构设计要点（一）布管操作以某实际设计为例，换热管外径19mm用户将布管间距设置为23.75mm，将排列方式要求为转角正三角形，因此理论上来说孔桥宽度只能够为4.75mm，在制造中胀接环节操作具有一定难度。
按照双管板换热器传统经验结合相关企业自行加工制造能力，可将换热管与管板之间的胀接设定为液袋柔性胀接，其作用原理如下：当液体压力不断上升过程中，换热管受到压力后会出现变形，并且随着压力的增大变形程度也会加大（此变形属于弹性变形），之后在达到塑性变形程度时会被挤压至管板孔壁部位。
ANSYS workbench换热器设计中结构问题和最佳实践
◦ 求解换热器温度场，了解温度分布情况，进而了解温度梯度分布 ◦ 解决方案
瞬态热分析 稳态热分析
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换热器设计中的结构仿真需求分析
• 热应力分析需求
◦ 找到温度梯度较大区域，该区域存在较大温差应力，恶化应力场 ◦ 管板热应力问题 ◦ 解决方案
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全焊接板式换热器极限载荷分析
• 全焊接板式换热器极限载荷分析
◦ 极限载荷分析校核板式换热器结构的一次应力
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August 3, 2017
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合成塔球冠管板应力分析
• 合成塔球冠管板应力分析
◦ 相比较与水平管板，球冠型管板形状更为复杂，分析难度更大 ◦ 较之固定管板换热器，合成塔球冠型管板上布管也更为复杂
换热器设计中的结构问题和最佳实践
黄志新 博士 安世亚太
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August 3, 2017
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演讲目录
•换热器设计中的结构仿真需求分析 •换热器结构仿真分析的解决方案及关键技术 •换热器设计的结构仿真最佳实践
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蒸汽冷却器应力分析与管板轻量化设计
• 蒸汽冷却器几何模型和有限元网格模型
冷却器几何模型
冷却器有限元网格模型
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基于 ANSYS 的双管板换热器管板厚度设计探讨
杨玉强1 ，贺小华2 ，杨建永1 （ 1． 南京市锅炉压力容器检验研究院，江苏 南京 210002； 2． 南京工业大学 机械与动力工程学 院，江苏 南京 210009）
摘 要： 由于双管板换热器管板结构的多样性，其管板厚度设计方法目前国内没有标准可依。针对 某 U 型管及固定管壳式换热器双管板结构，根据 SW6 软件相应模块进行管板厚度近似计算，在此 基础上采用 ANSYS 软件对管板结构进行热应力分析和优化设计，进一步讨论了聚液壳结构的影 响。分析结果表明，双管板换热器管板厚度采用 SW6 软件近似计算是安全的，但结果过于保守。 有限元优化设计有效地降低了管板厚度，为双管板换热器管板设计提供了有效手段。 关键词： 双管板换热器； 管板厚度； 聚液壳； 热应力； 有限元优化设计
槡 L = 3Et fdo σt
（ 1）
·31·
CPVT
基于 ANSYS 的双管板换热器管板厚度设计探讨
Vol27. No10 2010
f
=
Db 2
（
αtu Δttu
－
αsh Δsh ）
（ 2）
1． 2 基于 SW6 软件的 U 型管双管板换热器管板
近似计算
目前，国内工程上针对 U 型管双管板换热器 管板厚度的计算，一般采用将其分解为固定管板 换热器和 U 型管换热器两部分，分别采用 SW6 软 件进行计算［5］。 参 照 文 献［4 ，6 ］，两 管 板 间 聚 液 壳壁厚 取 8 mm，本 结 构 取 聚 液 壳 长 度 L = 250 mm。针对管、壳程压力作用下各种操作工况，采 用以上简化模型进行计算，得到两管板的名义厚 度为： δ管板1 = 87 mm，δ管板2 = 98 mm。由于管壳程 温差较大，采用 SW6 软件计算时，聚液壳上需要 设置膨胀节，否则，无论管板厚度如何，计算都无 法通过。 1． 3 基于有限元分析模型的 U 型管双管板换热
度的差值，℃ Ash ，Atu ———壳程筒体、管束的横截面积，m2 I———膨胀节惯性矩，m4
E———膨胀节材料的弹性模量，MPa
l———壳程筒体的总长度，m
0 引言
热器的管板结构进行优化设计，为双管板换热器 管板设计方法提供依据。
1 U 型管双管板换热器
U 型管双管板换热器的设计参数及主要的几
何尺寸见表 1，2，结构见图 1。
介质 腐蚀余量 / mm 主要受压元件材料
循环水 2
Q345R
管程 2． 1 / － 0． 1
1． 0497 130 /40 － 19 /200 氯硅烷
2 00Cr19Ni10
双管板换热器是在换热器一端设有一定间距 的两块管板或相当于有一定间距的两块管板的换 热器。在实际操作中，双管板换热器一般用于以 下两种场合［1］： 一种是绝对防止管壳程间介质混 串的场合； 另一种是管壳程间介质压差很大的场 合。
YANG Yu － qiang1 ，HE Xiao － hua2 ，YANG Jian － yong1 （ 1． Nanjing Boiler ＆ Pressure Vessel Supervision and Inspection Institute，Nanjing 210002，China； 2． College of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China）
Abstract： Due to the diversity of the tubesheet construction for double tube － sheet heat exchangers，there is no national design standard for tubesheet design． The approximate calculation of tubesheet based on SW6 software was made for U － tube and fixed shell and tube heat exchangers，and the thermal stress analysis and optimization design of tubesheet were made by ANSYS software，furthermore，the effect of the liquid gathering shell was studied． The results show that the approximate calculation of the design thickness of tubesheet for double tube － sheet heat exchangers by SW6 software is safe，but the result is conservative． Optimization design based on finite element analysis has effectively reduced the design thickness of tube － sheet and provided an effective means for the design of tubesheet for double tube － sheet heat exchangers． Key words： double tube － sheet heat exchanger； thickness of tubesheet； liquid gathering shell； thermal stress； finite element optimization design
器管板计算
1． 3． 1 有限元分析模型 因换热器结构和载荷具有对称性，可沿结构
的纵 向 对 称 面 切 开，选 取 管 箱 筒 体、管 箱 法 兰，2 个管板、壳程筒体、壳程法兰和管束的 1 /2 结构作 为管板应力分析模型。管箱筒体长度取 250 mm， 壳程筒体长度取 200 mm，换热管长度取 800 mm 作为管板分析模型。位移边界条件，纵向对称面 按对称边界处理，管箱筒体端部约束轴向位移，壳 程筒体和换热管端部施加轴向力。 1． 3． 2 U 型管双管板换热器热应力场分析
目前，双管板换热器的管板厚度设计方法，国 内没有标准可依，通常采用近似方法将双管板换 热器分解成两部分，然后根据每块管板两侧所接 触的介质压力与温度按 GB 151—1999［2］相应模 块来进行设计计算，此方法的合理性和安全性值 得商榷。国外 TEMA—1999［3］虽然给出了 3 种双 管板换热器管板设计方法，但与本文结构不符，且 没有工程设计软件。文中基于双管板换热器的管 板设计现状，运用 ANSYS 软件对 U 型管及固定 管壳式双管板换热器管板结构进行了热应力分 析，并与近似计算方法进行比较，进一步讨论了聚 液壳结构对双管板换热器的影响，并对双管板换
图 1 U 型管双管板换热器结构示意
1． 1 双管板间 管 板 的 使 用 温 度 不 同，因此当两块管板的温度从常温升到操作温度 的过 程 中，产 生 径 向 位 移，引 起 弯 曲 应 力 和 剪 应 力。为避免管板与换热管的连接处产生很大的应 力而造成介质泄漏，可以在两块管板之间加上适 当间距的聚液壳，让换热管产生挠曲。参照文献 ［4］，壳程与管程管板之间间隙长度 L 的计算方 法如下：
管板优化设计的最终目的是在满足刚度和强 度要求下，使管板的厚度最小。文中对带膨胀节 的 U 型管双管板换热器管板进行优化，选定 2 个 管 板 的 厚 度 A1 和 A2 作 为 优 化 的 设 计 变 量， TRESCA 应力强度 SMAX1 和 SMAX2 作为优化的 约束条件，由于本设备换热器管子管板之间采用 胀接，考虑到胀接厚度的要求，选取 2 个管板的最
［σ］———管板材料许用应力强度，MPa
A1，A2———管板 1 和管板 2 在优化设计中的厚度，mm
SMAX1，SMAX2———管板 1 和管板 2 在优化设计中的
应力强度，MPa
Ps ，Pt ———壳程和管程设计压力，MPa As ，At ———管板壳程侧和管板管程侧有效受压面积，
m2
Do ，Di ———壳程筒体外径和内径，m
换热器壳程介质温度 32 ℃ ，对流系数543． 98 W / （ m2 ·℃ ） ，管 程 介 质 温 度 130 ℃ ，对 流 系 数 500 W / （ m2 ·℃ ） ，聚液壳内部温度 20 ℃ ，对流系 数 6 W / （ m2 ·℃ ） ，结构的对称面上按绝热边界 条件处理。通过三维有限元分析，先求出模型的 温度场，进一步获得分析结构的热应力场。图 2 示出在 Pt + Ps + T 操作工况下的 TRESCA 应力云 图。可 以 看 出，最 大 TRESCA 应 力 为 149． 834 MPa，位于管板 2 与法兰连接处。 1． 3． 3 聚液壳长度的影响
中图分类号： TQ051． 5； O241． 82 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 4837（ 2010） 10 － 0030 － 06 doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 4837． 2010． 10． 006
Discussion on Thickness Design of Tubesheet for Double Tube － sheet Heat Exchanger by ANSYS
do ，di ———换热管外径和内径，m
Nsh ，Ntu ———壳程筒体、管束内力，N
Δlsh ，Δltu ———壳程筒体、管束的轴向变形量，m
Δl
t sh
，Δlpsh
———壳程在温度
载
荷、内
压
作
用
下