搜索列文蒸發器加熱室結構設計和強度校核
2013-06-15 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
列文式蒸發器屬于加熱管外沸騰的自然循環型蒸發器,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。為了保證溶液在蒸發器內能有良好的循環,必須減少循環系統阻力,要求循環管截面積F1大于加熱管的總截面積F2(一般F1:F2=1.3~2.5)。蒸發器的循環速度可達到1.5~2.0 m/s,總傳熱系數為1280~2350 W/(m2·K)。因列文蒸發器的循環速度大,傳熱效果好,且加熱管內不會被堵塞,所以被廣泛的應用于有晶體析出和易結垢的工作場合下。
本文設計的列文式蒸發器整體結構見圖1。
1 加熱室結構設計
加熱室結構簡圖如圖2所示,整體結構類似于一個帶有膨脹節的固定管板式換熱器。主要由上下管板、換熱管、筒節、膨脹節、折流板、定距管和防沖擋板等組成。殼程介質為加熱蒸汽,在進汽口處,為了增大蒸汽人口處殼程的流通面積,在局部擴大了筒節直徑,由原來的Φ900加大到Φ150,并分別由兩個1/2HZL型膨脹節與原來的筒節相接。這就導致蒸汽人口處結構不連續,使受力變得非常復雜。而且目前采用這種過渡結構的設備非常罕見,設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力校核。
2 常規設計
加熱室筒節與膨脹節材料均為Q235B,加熱室殼程工作介質為水蒸氣,有效厚度為10 mm,具體位置直徑見圖3,膨脹節的尺寸見GB16749-1997《壓力容器波形膨脹節》。最大工作壓力為0.9 MPa,設計壓力為1.0 MPa,設計溫度為200℃,設計溫度下材料的許用應力為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力為113 MPa,彈性模量為192 X 10*3 MPa,屈服強度為235MPa。
2.1 筒節強度校核
2.1.1工作應力校核
2.2整體膨脹節的強度校核
由內壓引起波紋管直邊段的周向薄膜應力
綜上分析,按常規設計,筒節和膨脹節都滿足強度要求。
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,為了保留邊緣應力對結果的影響,也就是為了給出完整的結果,使經向長度距離邊緣應力影響區不小于
.
3.2 網格的劃分
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格,單元數為48690見圖4。
3.3載荷與邊界條件的設置閉
針對實際操作情況。計算時考慮了兩種邊界條件的設置:①平面軸對稱模型只考慮內壓單獨作用;②同時考慮內壓和熱載荷的影響。
3.4 結果分析
圖5和圖6給出van_Mises應力分布圖。看出內壓和熱載荷同時作用的最大應力比內壓單獨作用的最大應力大,所以后面的分析結果同時考慮了內壓和熱載荷的影響。
對應圖6的won Mises最大應力位置,在圖7給出最危險區域附近隨著位置變化的von Mises應力分布曲線,以便找出應力最大位置(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條應力處理線,位置詳見圖7,給出各應力處理線最大應力強度的具體數值,見表1。
綜上分析,按分析設計,筒節和膨脹節也都滿足強度要求。
4 結語
從上面的分析可以看出,所設計的列文式蒸發器加熱室,使用兩個1/2的膨脹節作為不同直徑筒節的過渡部分,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,為中低壓化工設備的結構設計開創了一個先例。
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