温水换热器的设计及有限元分析+CAD图纸(3)
1.2.1 结构设计
U形管换热器有一半管束管内外介质的流动方向为并流，另一半管束管内外介质的流动方向为逆流。U型管式换热器的双管板之间一般采用聚液壳彼此连接。聚液壳可以用来调整管板间距且保证两管板相互平行。U形管换热器与其他类型换热器的最大区别是管束结构，在设计换热管布局时应考虑到换热管的最小弯曲半径尺与分程隔板槽两侧相邻管中心距的关系。管径越大，最小弯曲半径就越大，大部分换热管的最小弯曲半径大于分程隔板槽两侧相邻管中心距；且U形管弯曲段的弯曲半径R应不小于两倍的换热管外径。因此，为了保证适合分程隔板槽两侧相邻管的中心距，最内层换热管在排列时需要进行斜向交叉排列。如果最内层U形管之间的间距过大时，可设置假管或者挡板。
1.2.2 材料选择
其次是材料的选择。设计时要注意管板与换热管须有一定的硬度差，一般管板比换热管硬度高HB20～HB30。最好是采用强度等级较高的材料作管板(16Mn锻件)，强度等级较低的材料作换热管(如10号无缝钢管)。当两者硬度相近时，可将管端进行退火处理，以降低换热管的硬度。在满足设计要求的同时,选用合适的材料,最大限度的保证强度和传热系数。
1.3 有限元分析
在这次的设计中有限元分析也是重中之重。而管板作为管壳式换热器的主要零部件之一，管板的合理设计和对其的有限元分析也具有重要意义。因此本设计将会对管板进行有限元分析。
GB151-2012《钢制管壳式换热器》给出了管板的计算方法，对管板作出了不同程度的简化和假设，把管板看作是承受均布载荷，放置在弹性基础上并因管孔削弱的当量圆板。然后根据载荷的大小，管束的刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力、剪切应力。但实际上管板受到管程压力、壳程压力、密封圈的比压力、螺栓的预紧力以及温度等载荷的作用，而且换热器的结构元件的尺寸和材料性能都直接或间接的影响管板的强度[2]。
本设计将会采用SimulationXpress软件来分析应力，进一步对管板进行校核，完善设计。SimulationXpress提供了材料定义、添加载荷、约束信息，分析零部件的位移、应力大小、变形情况，提供一个可行的安全系数。与ANSYS相比是一个较为简易的分析软件。
2换热器的结构初选
2.1 设计条件
本设计选用U型管式换热器，结构简图如图2.1，数据初始条件如表2.1所示。
图2.1 U型管式换热器结构简图
表2.1 数据初始条件
U型管式换热器 壳程 管程
介质 软水 温水
设计压力MPa 1.1 1.1
设计温度 ℃ 150 150
换热面积 m2 250 250
2.2 换热器材料选择
材料是压力容器的物质基础，正确选用压力容器材料是保证容器长期安全使用的一个基本条件，压力容器所用材料必须要有良好的焊接性能和冷热加工性能，压力容器材料的物理性能也是选材要考虑的。要进行换热的容器要用导热系数较高的材料达到节省材料的目的。压力容器常用的钢材主要有板、管、棒、丝、锻件、铸件等形状。压力容器的本体包括管板、平盖、法兰，主要采用板材、管材和锻件，其紧固件采用棒材。压力容器可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。
本次换热器设计的介质为水，腐蚀性小，毒性低。本设计筒体的钢板和封头采用Q345R，它是一种低合金钢，它是在碳素钢的基础上加入一种或数种合金元素（不超过5%）以提高钢材的强度，具有耐高温、耐低温、耐腐蚀等性能，各种合金元素在低合金钢中起着不同的作用，锰能有效的提高强度，降低冷脆性能。Q345R具有良好的综合性能和制造工艺性能，主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器[3]。
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