板翅式换热器等效均匀化强度设计

板翅式换热器等效均匀化强度设计

倪艮丹

杭州中泰深冷技术股份有限公司 311402

摘要：板翅式换热器具有换热效率高、结构紧凑等优点，被认为是在高温气冷堆等领域应用前景广阔的换热设备。但是由于板翅结构的复杂性，高温高压和循环载荷下板翅式换热器全尺寸高温强度设计问题没有解决。本文基于等效均匀化，建立了板翅式换热器的高温强度设计方法；并分析了板翅式换热器等效均匀化强度设计。

关键词:板翅式换热器，板翅结构，等效均匀化；强度设计

1 板翅式换热器概述

板翅式换热器由于结构紧凑、可靠性高，现已广泛应用于各行业中，其制作所用的材料也从最初的铜合金发展到现今的铝合金、不锈钢和钛合金。其中，尤其是铝合金板翅式换热器，除了传热高效外，还有重量轻、性价比高等优点，因而其应用范围广泛，主要用于低温、介质清洁无腐蚀的环境中，如: 深冷分离的空分装置冷箱、合成氨装置液氮洗冷箱、合成氨尾气的低温分离提纯冷箱、天然气液化 ( LNG) 工厂的液化冷箱、烯烃装置低温分离工序的乙烯冷箱与丙烷脱氢制丙烯冷箱、甲醇制烯烃装置中的冷箱、一氧化碳与氢气低温分离冷箱等。板翅式换热器的操作温度一般为 40 ～ 196 ℃，设计压力通常在0. 6 ～ 10 MPa。

2板翅式换热器等效均匀化强度设计研究

2.1 设计方法分析

板翅式换热器等效均匀化强度设计方法应包括两个方面：其一为一次应力（内压）强度评定；其二为高温、循环载荷下的蠕变疲劳寿命评价。

板翅式换热器进行有限元分析时很难建立全尺寸的实体结构模型，因此难以建立板翅式换热器的蠕变疲劳寿命分析方法。为了进行板翅式换热器的全尺寸建模，基于等效均匀化方法，具体分析过程包括：推导板翅结构等效均匀化参数解析模型；将每个板翅层被看成均匀固态板，解析模型计算结果作为固态板的材料参数进行板翅式换热器全尺寸均匀化模拟，获取板翅结构的整体性质；根据应力应变放大系数获得板翅结构局部性质；与现有的 ASME 设计准则结合，建立完整的板翅式换热器全尺寸蠕变疲劳强度设计分析方法。

2.2均匀化方法验证

由于板翅结构复杂，建立板翅结构的实体结构模型困难，因此对板翅式换热器进行

均匀化方法的验证时，可以选择建立板翅式换热器的小模型，这样也就方便了板翅结构

实体模型的建立。具体验证步骤如下：首先需要得出板翅结构的等效均匀化参数解析模

型计算结果，然后将该板翅结构等效性能作为板翅结构材料参数，建立板翅式换热器均

匀化的小模型，进行板翅结构的均匀化分析。类似的，需要建立同样尺寸的板翅式换热

器的实体结构小模型，赋予母材的材料参数。对两个小模型施加同样的载荷和边界条件，

进行有限元分析，将二者的有限元分析结果进行对照，从而对均匀化方法进行了验证。

利用有限元方法来进行板翅结构均匀化方法的验证，板翅结构的叠加方向是强度最弱的方向，因此也是需要重点考虑的方向，主要对该方向进行均匀化的有限元验证分析。共建立了两个尺寸相同的模型，一个为实体结构模型，另一个为均匀化模型。实体结构模型包括五个板翅层，其中板翅结构的尺寸参数如表 1所示。在该板翅结构的上面表面均有一个 0.8mm 厚的盖板，底面被限制了在 Y 方向的移动，该有限元方法中 Y 方向即是叠加方向。在流动方向的入口和出口分别设置为 200℃和 500℃，从而得出稳态的温度场分布，然后所得出的温度场被用来进行应力分析。实体结构模型总共划分了437431 个节点和 247523 个单元。单元类型 DC3D8 和 C3D8R 分别被用来进行热传导分析和热应力分析。

表1板翅结构尺寸参数

2.3板翅式换热器等效均匀化强度设计案例分析

2.3.1一次应力分析

根据文中板翅式换热器等效均匀化强度设计方法所得的应力应变放大系数来进行基于等效均匀化的板翅式换热器的高温强度设计案例分析，该案例分析中板翅式换热器的流动形式为逆流，如图1所示。

     图1板翅式换热器逆流流动形式

选取板翅结构芯体截面二维有限元模型进行一次应力分析。芯体的入口和出口高度（叠加方向）为 430 mm，宽度为 420 mm。由于对称性，只考虑一半的板翅结构芯体，叠加方向共选取 8 个板翅层进行分析。外盖板和封条的厚度为 15mm。为了获取比较真实的一次应力，选取了详细翅片结构来模拟，板翅结构胞元的尺寸参数如表1 所示。高压流体压力为 6MPa，低压流体压力为 2.8MPa，板翅式换热器受到外压为 2.8MPa，封条的内表面分别在高压侧施加 6MPa，低压侧施加 2.8MPa，逆流流动流体的压差加载在隔板的高压侧表面。316 不锈钢材料在 600◦C 的材料参数被用来进行分析。单元类型为 CPS4R 和 CPS3，总共划分了 97476 个节点，79593 个单元。对称的边界条件被施加在右侧，底面限制了 Y 方向（叠加方向）的移动。结果表明，在设计温度、压力和寿命条件下，评定结果满足一次应力的设计要求。

2.3.2全尺寸的蠕变疲劳寿命评定

基于板翅结构芯体等效均匀化固态模型的各向异性弹性分析被用于进行板翅式换热器的全尺寸寿命评价。三维有限元模型包括均匀化的板翅结构芯体，封头和导流区。整个板翅结构芯体约 580mm 长（流体流动方向），420mm 宽，430mm 高，整个均匀化的板翅结构芯体总共可分为 108 个板翅层，每个均匀化板翅层的尺寸与板翅结构芯体实体结构板翅层的尺寸相同，等效均匀化参数解析模型的计算结果作为材料参数被用于板翅式换热器的均匀化分析，考虑了翅片排列的方向，由于该换热器的流动形式为逆流形式，因此板翅结构芯体部分各个翅片层的翅片排列方向相同。除了泊松比，密度之外考虑了这些等效均匀化参数的温度相关性。有限元分析总共划分有 34130 个节点28152个单元，板翅式换热器底部限制了Y方向的移动。在热传导分析中的单元类型为DC3D8，在应力分析中的单元类型为 C3D8R。

冷热端封头和导流区的温度设置为冷热流体的平均温度，即冷端处封头和导流区的温度设置为冷流体的入口温度和热流体的出口温度的平均，而热端处封头和导流区的温度设置为热流体入口温度和冷流体出口温度取平均，在稳态运行阶段，冷端处为 124◦C，热端处为 561◦C，在冷端和热端中间的板翅结构芯体区域呈线性的温度分布，由此得出板翅式换热器的稳态温度场分布被用于稳态的应力分析，稳态应力分布结果用于预测蠕变寿命。在瞬态运行阶段，高温侧温度假设从 100◦C 上升到 561◦C，升温速率为 230◦C/h。相似的，低温侧的温度从 100◦C 升温到124◦C，升温速率为 12◦C/h，在升温末的瞬态温度场如图3所示，得出温度场后进行瞬态的应力分析，在加热最后阶段的瞬态应力分布如图4所示，所得结果将被用于疲劳寿命分析。

图2板翅式换热器的瞬态温度场分布

图3板翅式换热器的瞬态应力分布结果

3结论

总之，由于板翅结构的复杂性，国内还没有针对板翅式换热器高温强度设计的方法，对板翅式换热器的研究也多集中于分析板翅结构胞元和小模型的性质，而对于板翅结构全尺寸模型的分析很少。本文基于等效均匀化，初步确定了板翅式换热器的高温强度设计方法，分析了板翅结构的全尺寸宏观性质，但当前的研究工作尚有不足之处，需要进一步的研究。

参考文献

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