搜索列文蒸发器加热室结构设计和强度校核
2013-06-15 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
列文式蒸发器属于加热管外沸腾的自然循环型蒸发器,其特点是:在加热室的上部加一段2.7~5m高的直管作为沸腾室,加热管中的溶液由于受到附加液柱的作用,使溶液不在加热管中沸腾,当溶液上升到沸腾室时,因其所受的压力降低而开始沸腾。沸腾室内装有隔板以防止汽泡增大,并可达到较大的流速。列文式蒸发器可避免在加热管中析出晶体,可用于有晶体析出的溶液的蒸发。为了保证溶液在蒸发器内能有良好的循环,必须减少循环系统阻力,要求循环管截面积F1大于加热管的总截面积F2(一般F1:F2=1.3~2.5)。蒸发器的循环速度可达到1.5~2.0 m/s,总传热系数为1280~2350 W/(m2·K)。因列文蒸发器的循环速度大,传热效果好,且加热管内不会被堵塞,所以被广泛的应用于有晶体析出和易结垢的工作场合下。
本文设计的列文式蒸发器整体结构见图1。
1 加热室结构设计
加热室结构简图如图2所示,整体结构类似于一个带有膨胀节的固定管板式换热器。主要由上下管板、换热管、筒节、膨胀节、折流板、定距管和防冲挡板等组成。壳程介质为加热蒸汽,在进汽口处,为了增大蒸汽人口处壳程的流通面积,在局部扩大了筒节直径,由原来的Φ900加大到Φ150,并分别由两个1/2HZL型膨胀节与原来的筒节相接。这就导致蒸汽人口处结构不连续,使受力变得非常复杂。而且目前采用这种过渡结构的设备非常罕见,设计时没有文献可供参考,为了安全起见,下面采用两种方法对其进行应力校核。
2 常规设计
加热室筒节与膨胀节材料均为Q235B,加热室壳程工作介质为水蒸气,有效厚度为10 mm,具体位置直径见图3,膨胀节的尺寸见GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》。最大工作压力为0.9 MPa,设计压力为1.0 MPa,设计温度为200℃,设计温度下材料的许用应力为105MPa,弹性模量为186 X 10*3MPa,屈服强度为170 MPa;室温下材料的许用应力为113 MPa,弹性模量为192 X 10*3 MPa,屈服强度为235MPa。
2.1 筒节强度校核
2.1.1工作应力校核
2.2整体膨胀节的强度校核
由内压引起波纹管直边段的周向薄膜应力
综上分析,按常规设计,筒节和膨胀节都满足强度要求。
3有限元模拟
3.1 模型的建立
建模时考虑到宏观载荷、约束和几何的对称性,建立了平面轴对称模型,见图3;在整体尺寸上,为了保留边缘应力对结果的影响,也就是为了给出完整的结果,使经向长度距离边缘应力影响区不小于
.
3.2 网格的划分
单元类型选择PLANE82,采用轴对称模型计三角形单元白由划分网格,单元数为48690见图4。
3.3载荷与边界条件的设置闭
针对实际操作情况。计算时考虑了两种边界条件的设置:①平面轴对称模型只考虑内压单独作用;②同时考虑内压和热载荷的影响。
3.4 结果分析
图5和图6给出van_Mises应力分布图。看出内压和热载荷同时作用的最大应力比内压单独作用的最大应力大,所以后面的分析结果同时考虑了内压和热载荷的影响。
对应图6的won Mises最大应力位置,在图7给出最危险区域附近随着位置变化的von Mises应力分布曲线,以便找出应力最大位置(在图7的3-3截面),进行强度校核。
为了便于强度校核,在图7中的部分模型沿厚度方向取了1-1, 2-2和3-3条应力处理线,位置详见图7,给出各应力处理线最大应力强度的具体数值,见表1。
综上分析,按分析设计,筒节和膨胀节也都满足强度要求。
4 结语
从上面的分析可以看出,所设计的列文式蒸发器加热室,使用两个1/2的膨胀节作为不同直径筒节的过渡部分,不仅满足了工艺方面的要求,同时也满足了强度方面的要求,可以安全使用,为中低压化工设备的结构设计开创了一个先例。
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