优化换热器设计轻松合规推市场

作者:Richard Grant,Grantec Engineering Consultants公司总裁,加拿大哈利法克斯市

因为潜在的操作压力高且失效后果严重(包括人身伤害、设备损失和/或产出与收入下降),所以将壳管式换热器归类为压力容器。压力容器在北美和全球其它地方均受到严格的监管,启动新的设计需要获得监管审批。管道布局对称的换热器通常可按照规范进行评估,如按照美国机械工程师协会(ASME)的“锅炉及压力容器规范”(BPVC)进行评估。但是对于管道布局高度非对称的换热器而言,仿真往往是唯一可对其设计进行认证的低成本方式。最近,Grantec Engineering公司使用Ansys Mechanical软件对多种冷凝器和蒸发器的换热器开展基于有限元(FEA)分析的强度评估,以获得监管机构的快速审批。

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rapidly meet heat exchanger regulations

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换热器的Ansys Mechanical模型

一二十年前,几乎所有的换热器均采用对称管板布局设计,因为该布局的设计和验证相对简便。但是,如果流经管道和壳体的流体分布不均匀,对称设计可能会导致热能浪费及效率降低。近年来,Ansys Fluent计算流体动力学(CFD)软件已简化了流体流经换热器这两个部件的仿真过程,工程师能获得管道和壳体内的流动分布、回流区、传热面积的大小、外壳温度、外壳承压等关键信息。

从而能通过设计壳管式布局获得更均匀、更高效的流型,进而实现换热能力和压降优化。得到的非对称设计能在换热器的使用寿命期间大幅改进其性能。

Grantec是一家大型国际暖通空调设备(HVAC)制造商,开展大量换热器设计的评估工作。而这些评估需要按照ASME BPVC的要求来开展,设备需满足加拿大对压力容器的要求,包括加拿大标准协会(CSA) B51“锅炉及压力容器规范”的要求,才能在加拿大市场进行销售。为确保产品符合ASME和CSA B51的要求,Grantec使用Ansys Mechanical对这些设计进行仿真,因为该软件能处理存在大量接触且高度复杂的非线性复杂网格模型。

评估换热器

Grantec评估了大量参数多样的换热器配置,包括一系列不同的壳体直径和换热器长度以及从200-500数量不等换热管的管板布局。众多的管板布局高度非对称,因此无法用主要适用于对称管板模式的ASME规范方程来评估其合规性,因为这些方程主要适用于对称管板模式,部分模型有多达500个接触区域。此外,这些换热器的管道并不光滑,而是内部和外部均有翅片,以增加可用于传热的表面。

connections between tubesheet

管板与壳体之间的连接,挡板与壳体之间的焊点为环形

仿真模型可用来评估翅片对纵向和径向模量及泊松效应的影响。泊松效应(与拉伸橡皮筋时能使橡皮筋变薄的效应相同)导致管道在内部承压时纵向收缩,外部承压时纵向膨胀。对于所考虑的换热器,管道被“卷”(即,膨胀)入换热器两端的管板中。用于支撑管道的挡板与同样热膨胀的拉杆固定在一起,仿真模型包括管道与挡板之间的接触以及挡板与换热器外壳之间的接触。此模型处理方法既为管道提供了支撑,也允许管道、挡板和壳体间存在热膨胀。该建模方案包括了约束、力和应力的精确模型,这对认证该设计是必要的。

Ansys Mechanical提供在求解域中的任意点进行便捷的计算。

监管审批要求的计算值

许多FEA软件无法解决其中的部分或所有问题,并且对于解决这些问题所需的大型复杂模型难以收敛。制造商最初尝试利用集成到CAD中的软件来仿真设计,但是这种软件对有如此大量接触的复杂设计并不特别合适。将Mechanical用于压力容器和换热器分析,在求解大型复杂模型具有所需的鲁棒性与可靠性。Mechanical软件包含应力线性化工具,可以将应力通过截面分离成薄膜、弯曲和峰值应力。对于一个悬臂板来说,薄膜应力产生于拉伸载荷,而弯曲应力则产生于所施加的与板垂直的载荷。Mechanical提供在求解域中的任意点的应力计算,该软件还具有高级断裂力学仿真功能,Grantec将该功能用于压力组件和结构组件的运行工况评估。

Grantec的分析报告迅速让换热器的设计获得了监管机构的审批。

Grantec工程师采用Mechanical,根据ASME BPVC第八条第1款“部件UHX要求”评估了换热器,包括各种换热器配置的多载荷案例。该模型还考虑了制造商规定的腐蚀容量,工程师使用固体单元对管板、换热器支撑和焊点以及管板附近的管段进行建模,以提高精度。为了提高计算效率,采用壳单元为壳体和管道的剩余部分以及挡板进行建模。用于管道的壳单元属性经过调整,以反映由对翅片管道的独立分析获得的模量和泊松比。在隔板上对模型使用无摩擦接触,以便准确地仿真管支撑和热膨胀。Grantec团队对各种接触条件的连接进行了建模,包括绑定、无分离和无摩擦。该团队对模型施加压力和热载荷,利用重力载荷对组件和管中流体的重量进行分析,而工程师采用静液力压力载荷来计算壳流体和静压头的重量,模型端头位置的垫圈与螺栓载荷亦涵盖其中。

hydrostatic pressure

壳体内的静水压力

deformation simulation

使用Ansys Mechanical仿真壳体形变

快速通过监管审批

Grantec工程师使用Ansys高性能计算(HPC)软件套件,在16核心HPC平台上对这些模型进行了求解。实践证明,使用Ansys HPC能有效缩短分析的运行时间,其中有些是超过500个接触的高度非线性分析。

除了要满足ASME要求外,还要满足加拿大标准协会(CSA) B51-14“锅炉及压力容器规范”的“附录J:有限元分析要求”。按照附录J,要求对FE分析结果的有效性进行验证,其中还要求证明应力结果已收敛。借助Ansys HPC软件,Grantec能够在高应力区域快速开展大量的网格细化分析,以确认上述应力的收敛性和可接受性。

Grantec的分析报告迅速让换热器的设计获得了监管机构的审批,在审核期间,监管机构的技术专家称赞Grantec提交的报告翔实且完整。


说明

Grantec的Richard Grant是CSA B51委员会成员,参与撰写了CSA B51第2014版和2019版中出版的附录J“有限元分析要求。

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