預(yù)應(yīng)力固定管板換熱器預(yù)變形與應(yīng)力特性的數(shù)值分析
    為了實(shí)施預(yù)應(yīng)力換熱器技術(shù)，對(duì)預(yù)變形下固定管板式換熱器中變形相互約束的構(gòu)件之間所產(chǎn)生的溫差應(yīng)力與變形分布特性進(jìn)行了數(shù)值研究。借鑒“分段建模，整體綜合”的換熱器流體力學(xué)與傳熱的數(shù)值模擬新方法，利用CFD得到換熱器溫度場(chǎng)并作為ANSYS結(jié)構(gòu)分析邊界條件，采用預(yù)拉伸單元進(jìn)行預(yù)變形量的施加與控制，從而獲得了熱-結(jié)構(gòu)耦合分析結(jié)果。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好，說(shuō)明所采用的研究方法是合理和可行的。此外，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果均證實(shí)，通過(guò)合理地施加和控制預(yù)變形量，可以有效緩解和協(xié)調(diào)固定管板換熱器在運(yùn)行中各構(gòu)件（管板、殼體、管束）之間的變形約束，從而創(chuàng)造良好的運(yùn)行環(huán)境，最終提高換熱器的運(yùn)行可靠性和使用壽命。
    管殼式換熱器的管殼程溫差引起的熱應(yīng)力是導(dǎo)致固定管板換熱器運(yùn)行發(fā)生破壞的主要原因，而一般經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，當(dāng)管殼壁溫差超過(guò)50℃就應(yīng)對(duì)換熱器采取熱補(bǔ)償措施，以緩解過(guò)大的溫差熱應(yīng)力。為了消除或降低熱應(yīng)力的影響，人們從理論和實(shí)踐上都提出了很多解決方法，預(yù)應(yīng)力換熱器就是一種有針對(duì)性的解決方案。提出了采用反向變形的預(yù)應(yīng)力換熱器制造技術(shù)，該技術(shù)首先采用數(shù)值分析計(jì)算換熱器的管殼可能產(chǎn)生的最大溫差膨脹量，在換熱器的制造過(guò)程中施加合適的反向預(yù)變形來(lái)抵消或降低換熱器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的溫差熱應(yīng)力。
    由于管殼式換熱器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前對(duì)換熱器熱應(yīng)力的分析研究大多采用數(shù)值分析的方法，公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)大多利用局部模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，在換熱器整體模型上展開(kāi)研究的較少。對(duì)于采用預(yù)變形技術(shù)的換熱器性能分析研究更少，本文利用“分段建模，整體綜合”CFD模擬新方法，首先從傳熱與流體力學(xué)的角度研究了換熱器中溫度場(chǎng)的分布，利用CFD得到的溫度場(chǎng)作為有限元分析軟件ANSYS結(jié)構(gòu)分析邊界條件，并且采用預(yù)拉伸單元進(jìn)行預(yù)變形量的施加與控制，從而獲得熱-結(jié)構(gòu)耦合分析的結(jié)果，最后將有限元結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)相比較，對(duì)管板及換熱管在預(yù)變形作用下的應(yīng)力特性進(jìn)行了研究和探索。研究結(jié)果表明，通過(guò)施加預(yù)變形量，可以大幅降低運(yùn)行中的換熱器管殼程壁溫差引起的應(yīng)力峰值，有效改善固定管板換熱器的安全運(yùn)行環(huán)境，延長(zhǎng)管板管子工作壽命，提高了換熱器的運(yùn)行可靠性。