搜索列文蒸發(fā)器加熱室結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核
2013-06-15 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
列文式蒸發(fā)器屬于加熱管外沸騰的自然循環(huán)型蒸發(fā)器,其特點是:在加熱室的上部加一段2.7~5m高的直管作為沸騰室,加熱管中的溶液由于受到附加液柱的作用,使溶液不在加熱管中沸騰,當溶液上升到沸騰室時,因其所受的壓力降低而開始沸騰。沸騰室內(nèi)裝有隔板以防止汽泡增大,并可達到較大的流速。列文式蒸發(fā)器可避免在加熱管中析出晶體,可用于有晶體析出的溶液的蒸發(fā)。為了保證溶液在蒸發(fā)器內(nèi)能有良好的循環(huán),必須減少循環(huán)系統(tǒng)阻力,要求循環(huán)管截面積F1大于加熱管的總截面積F2(一般F1:F2=1.3~2.5)。蒸發(fā)器的循環(huán)速度可達到1.5~2.0 m/s,總傳熱系數(shù)為1280~2350 W/(m2·K)。因列文蒸發(fā)器的循環(huán)速度大,傳熱效果好,且加熱管內(nèi)不會被堵塞,所以被廣泛的應(yīng)用于有晶體析出和易結(jié)垢的工作場合下。
本文設(shè)計的列文式蒸發(fā)器整體結(jié)構(gòu)見圖1。
1 加熱室結(jié)構(gòu)設(shè)計
加熱室結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示,整體結(jié)構(gòu)類似于一個帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。主要由上下管板、換熱管、筒節(jié)、膨脹節(jié)、折流板、定距管和防沖擋板等組成。殼程介質(zhì)為加熱蒸汽,在進汽口處,為了增大蒸汽人口處殼程的流通面積,在局部擴大了筒節(jié)直徑,由原來的Φ900加大到Φ150,并分別由兩個1/2HZL型膨脹節(jié)與原來的筒節(jié)相接。這就導(dǎo)致蒸汽人口處結(jié)構(gòu)不連續(xù),使受力變得非常復(fù)雜。而且目前采用這種過渡結(jié)構(gòu)的設(shè)備非常罕見,設(shè)計時沒有文獻可供參考,為了安全起見,下面采用兩種方法對其進行應(yīng)力校核。
2 常規(guī)設(shè)計
加熱室筒節(jié)與膨脹節(jié)材料均為Q235B,加熱室殼程工作介質(zhì)為水蒸氣,有效厚度為10 mm,具體位置直徑見圖3,膨脹節(jié)的尺寸見GB16749-1997《壓力容器波形膨脹節(jié)》。最大工作壓力為0.9 MPa,設(shè)計壓力為1.0 MPa,設(shè)計溫度為200℃,設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力為105MPa,彈性模量為186 X 10*3MPa,屈服強度為170 MPa;室溫下材料的許用應(yīng)力為113 MPa,彈性模量為192 X 10*3 MPa,屈服強度為235MPa。
2.1 筒節(jié)強度校核
2.1.1工作應(yīng)力校核
2.2整體膨脹節(jié)的強度校核
由內(nèi)壓引起波紋管直邊段的周向薄膜應(yīng)力
綜上分析,按常規(guī)設(shè)計,筒節(jié)和膨脹節(jié)都滿足強度要求。
3有限元模擬
3.1 模型的建立
建模時考慮到宏觀載荷、約束和幾何的對稱性,建立了平面軸對稱模型,見圖3;在整體尺寸上,為了保留邊緣應(yīng)力對結(jié)果的影響,也就是為了給出完整的結(jié)果,使經(jīng)向長度距離邊緣應(yīng)力影響區(qū)不小于
.
3.2 網(wǎng)格的劃分
單元類型選擇PLANE82,采用軸對稱模型計三角形單元白由劃分網(wǎng)格,單元數(shù)為48690見圖4。
3.3載荷與邊界條件的設(shè)置閉
針對實際操作情況。計算時考慮了兩種邊界條件的設(shè)置:①平面軸對稱模型只考慮內(nèi)壓單獨作用;②同時考慮內(nèi)壓和熱載荷的影響。
3.4 結(jié)果分析
圖5和圖6給出van_Mises應(yīng)力分布圖?？闯鰞?nèi)壓和熱載荷同時作用的最大應(yīng)力比內(nèi)壓單獨作用的最大應(yīng)力大,所以后面的分析結(jié)果同時考慮了內(nèi)壓和熱載荷的影響。
對應(yīng)圖6的won Mises最大應(yīng)力位置,在圖7給出最危險區(qū)域附近隨著位置變化的von Mises應(yīng)力分布曲線,以便找出應(yīng)力最大位置(在圖7的3-3截面),進行強度校核。
為了便于強度校核,在圖7中的部分模型沿厚度方向取了1-1, 2-2和3-3條應(yīng)力處理線,位置詳見圖7,給出各應(yīng)力處理線最大應(yīng)力強度的具體數(shù)值,見表1。
綜上分析,按分析設(shè)計,筒節(jié)和膨脹節(jié)也都滿足強度要求。
4 結(jié)語
從上面的分析可以看出,所設(shè)計的列文式蒸發(fā)器加熱室,使用兩個1/2的膨脹節(jié)作為不同直徑筒節(jié)的過渡部分,不僅滿足了工藝方面的要求,同時也滿足了強度方面的要求,可以安全使用,為中低壓化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計開創(chuàng)了一個先例。
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