[发明专利]浮头换热器管板、管束的计算方法

说明书

本发明提供一种浮头换热器管板、管束的计算方法，包括：S1、分别设置固定端管板和浮动端管板的材料；S2、分别设定固定端管板和浮动端管板厚度和直径；S3、计算固定端管板相应弯曲应力值σ_p和浮动端管板相应弯曲应力值S4、分别比较σ_p和[σ₁]、和[σ₂]。S5、计算换热管轴向应力σ_t。由于本发明提供的浮头换热器管板、管束的计算方法，可以选择固定端管板和浮动端管板的材料，并计算固定端管板和浮动端管板上下表面受到的应力，进而确定管板厚度。

技术领域

本发明涉及管壳式换热器技术领域，特别是一种浮头换热器管板、管束的计算方法。

背景技术

管壳式热交换器在石油化工装置设备中约占30％左右，是典型的压力容器。管壳式热交换器分为U形管热交换器，固定管板热交换器和浮头热交换器，其中浮头换热器主要应用于高温差和内部介质容易结垢的情况。

浮头换热器主要元件包括：固定端管板，浮动端管板和换热管束，在此称为管板系统，管板系统和壳程筒体仅通过固定端管板连接，浮动管板在热交换器轴向方向处于自由状态，因此可以释放管板系统和壳侧筒体的温差应力，与固定管板热交换器相比，浮头换热器适用于高温差场合。浮头换热器的主要换热元件包括固定端管板，浮动端管板和管束，是设计计算的重点元件。

然而现有技术中，解析解公式由于计算精度高，成为各国公式计算方法中的主要计算手段。现有公式计算均要求固定端管板和浮动端管板的材料和厚度均为相同，造成浮头换热器的适用范围过小。对于厚度、材料、直径均可不同的非对称管板结构一直没有系统的计算公式和方法，本发明专利基于解析法对此类非对称管板结构的浮头换热器提供了计算方法，可以计算两侧管板，中间管束的应力，并用有限元案例验证了其有很好的计算精度。

发明内容

为了解决上述技术问题，而提供一种分别校核计算固定端管板和浮动端管板不同厚度、不同材料、不同直径的浮头换热器管板、管束的计算方法。

一种浮头换热器管板、管束的计算方法，包括：

S1、根据介质情况，分别选择浮头换热器的固定端管板和浮动端管板的材料，并确定固定端管板的许用应力值[σ₁]和浮动端管板的许用应力值[σ₂]，其中，固定端管板和浮动端管板的材料可以相同也可以不同；

S2、设定浮头换热器的固定端管板厚度为δ₁和直径，浮动端管板的厚度δ₂和直径，计算所述固定端管板受到的径向或周向的弯矩M(x)和浮动端管板受到的径向或周向的弯矩M^f1(x)，其中固定端管板的厚度及直径与浮动端管板的厚度及直径均可以相同也可以不同；

S3、将S2中所得到的M(x)和M^f1(x)分别带入应力方程中，计算在设定管板厚度的情况下固定端管板上下表面上相应弯曲应力值σ_p和浮动端管板上下表面上相应弯曲应力值以及各处换热管轴向应力；

其中，μ为弯曲削弱系数；

S4、分别比较σ_p和[σ₁]、和[σ₂]；

若σ_p大于1.5[σ₁]或大于1.5[σ₂]，则重复步骤S2和S3，增加δ₁或δ₂或者更换固定端管板的材料或更换浮动端管板的材料，直至σ_p小于1.5[σ₁]且小于1.5[σ₂]；

若σ_p小于1.5[σ]且小于1.5[σ₂]，则管板满足设计要求。