应用 | 螺旋板换热器接管有限元分析

2017-03-10 by:CAE仿真在线来源:互联网

前言

随着能源消耗加剧,螺旋板换热器由于具有独特的特点逐渐受到重视。在经过多年的发展,螺旋板换热器已经被广泛的应用于多个行业与领域。

图1 螺旋板换热器结构示意图

螺旋板换热器进出口的局部流阻要占总流阻的5%~10%左右,因此选择合理的进出口结构型式对降低压强降、减少功率消耗乃至系统节能都有很大的优势。对与螺旋板换热器除端部轴向接管外还具有螺旋通道外的侧向接管。侧向接管主要有四种接管结构:(1) 径向接管;(2) 带管箱的径向接管结构;(3) 切向接管;(4) 带管箱的切向接管。

本节以带管箱的径向接管结构为例。带管箱的径向接管结构如图2所示,其结构由筒体、管箱、接管构成,管箱形式一般为半圆形筒体。设计参数为:接管a的长度La=50mm,接管a处管箱高度LRa=400mm,接管a处管箱半径Ra=80mm,接管b的长度Lb=50mm接管b处管箱高度LRb=400mm,接管b处管箱半径Rb=80mm。

图2 带管箱的径向接管结构图

如图3,4分别为径向接管的模型与网格划分图,在壳体上有接管的因素存在,使壳体变为了不规则体,在网格划分中采用FREE的划分方法,就此模型仍可达到计算精度的要求。

图3 带管箱径向接管的几何模型

图4 带管箱径向接管的网格模型

图5所示为带管箱的径向接管的应力云图,从云图可以看出带管箱的径向接管结构的最大应力点在管箱壳体相交处其总体应力值为583.0MPa。由图可见:在管箱与壳体相交处会产生集中力,尤其是在四个尖角处集中力较为显著,在远离此区域应力逐渐减小。

图5 带管箱径向接管总体应力云图

如图6所示为接管管箱长度与最大应力的曲线图,在此设计分析中其他各参数不变仅改变管箱的长度,管箱长度取值范围从150mm到400mm。由曲线中可以看出在管箱长度为400mm时应力最大,当L>300mm时应力值减小效果比较明显,应力从583.0MPa减小到419.0MPa,减小了39.1%。当150mm<L<300mm时,应力基本趋于平稳,因此在管箱长度为300mm即管箱长度与壳体高度比L/H为0.6时设计较为合理。

图6 管箱长度与最大应力关系

图7所示为管箱半径与应力关系图。分析中模型参数管箱长度为300mm,管箱半径设置范围为50~100mm,其余参数与初始设置相同。由图7可以看到管箱半径越小其应力值越小,管箱半径70mm<R<100mm时应力减小很快,从最大值505.3MPa下降到379.6MPa,减小了33.1%,当50mm< R<70mm时应力仍然有所降低但变化很小。因此在直径为560mm时管箱半径选取70mm,即管箱半径与壳体半径比为0.25时较为合理。