應用 | 螺旋板換熱器接管有限元分析

2017-03-10 by:CAE仿真在線來源:互聯網

前言

隨著能源消耗加劇,螺旋板換熱器由于具有獨特的特點逐漸受到重視。在經過多年的發展,螺旋板換熱器已經被廣泛的應用于多個行業與領域。

圖1 螺旋板換熱器結構示意圖

螺旋板換熱器進出口的局部流阻要占總流阻的5%~10%左右,因此選擇合理的進出口結構型式對降低壓強降、減少功率消耗乃至系統節能都有很大的優勢。對與螺旋板換熱器除端部軸向接管外還具有螺旋通道外的側向接管。側向接管主要有四種接管結構:(1) 徑向接管;(2) 帶管箱的徑向接管結構;(3) 切向接管;(4) 帶管箱的切向接管。

本節以帶管箱的徑向接管結構為例。帶管箱的徑向接管結構如圖2所示,其結構由筒體、管箱、接管構成,管箱形式一般為半圓形筒體。設計參數為:接管a的長度La=50mm,接管a處管箱高度LRa=400mm,接管a處管箱半徑Ra=80mm,接管b的長度Lb=50mm接管b處管箱高度LRb=400mm,接管b處管箱半徑Rb=80mm。

圖2 帶管箱的徑向接管結構圖

如圖3,4分別為徑向接管的模型與網格劃分圖,在殼體上有接管的因素存在,使殼體變為了不規則體,在網格劃分中采用FREE的劃分方法,就此模型仍可達到計算精度的要求。

圖3 帶管箱徑向接管的幾何模型

圖4 帶管箱徑向接管的網格模型

圖5所示為帶管箱的徑向接管的應力云圖,從云圖可以看出帶管箱的徑向接管結構的最大應力點在管箱殼體相交處其總體應力值為583.0MPa。由圖可見:在管箱與殼體相交處會產生集中力,尤其是在四個尖角處集中力較為顯著,在遠離此區域應力逐漸減小。

圖5 帶管箱徑向接管總體應力云圖

如圖6所示為接管管箱長度與最大應力的曲線圖,在此設計分析中其他各參數不變僅改變管箱的長度,管箱長度取值范圍從150mm到400mm。由曲線中可以看出在管箱長度為400mm時應力最大,當L>300mm時應力值減小效果比較明顯,應力從583.0MPa減小到419.0MPa,減小了39.1%。當150mm<L<300mm時,應力基本趨于平穩,因此在管箱長度為300mm即管箱長度與殼體高度比L/H為0.6時設計較為合理。

圖6 管箱長度與最大應力關系

圖7所示為管箱半徑與應力關系圖。分析中模型參數管箱長度為300mm,管箱半徑設置范圍為50~100mm,其余參數與初始設置相同。由圖7可以看到管箱半徑越小其應力值越小,管箱半徑70mm<R<100mm時應力減小很快,從最大值505.3MPa下降到379.6MPa,減小了33.1%,當50mm< R<70mm時應力仍然有所降低但變化很小。因此在直徑為560mm時管箱半徑選取70mm,即管箱半徑與殼體半徑比為0.25時較為合理。