快速满足热交换器法规

作者:Richard Grant，加拿大哈利法克斯Grantec工程咨询公司总裁

由于潜在的高操作压力和故障的后果(可能包括人身伤害，设备损失，和/或减少产量和收入)，壳管式热交换器被归类为压力容器。压力容器在北美和世界其他地方受到严格的监管。委托一项新设计需要监管部门的批准。具有对称管布局的热交换器通常可以使用诸如美国机械工程师协会(ASME)锅炉和压力容器规范(BPVC)等规范进行评估。然而，对于具有高度不对称管布局的交换器，模拟通常是唯一具有成本效益的方法来验证这些设计。最近，Grantec Engineering公司使用Ansys Mechanical软件对一系列冷凝器和蒸发器热交换器进行基于有限元分析(FEA)的强度评估，以快速获得监管机构的批准。

近年来，计算流体动力学(CFD)软件，如Ansys流利，简化了模拟流体通过热交换器两个部分流动的过程。工程师可以获得诸如管壳内的流动分布、再循环区域、大传热区域和小传热区域、套管温度、套管压力等关键信息。

这些信息使得通过设计更均匀和高效的流动模式的壳管布局来优化传热能力和压降变得切实可行。由此产生的非对称设计在热交换器的生命周期内提供了性能的实质性改进。

Grantec被聘请为一家大型国际供暖、通风和空调(HVAC)设备制造商评估众多热交换器的设计。这些评估需要根据ASME BPVC要求进行。在该设备在加拿大上市之前，它还需要满足加拿大对压力容器的要求，包括加拿大标准协会(CSA) B51“锅炉和压力容器规范”中的要求。为了确保符合ASME和CSA B51的要求，Grantec模拟了设计Ansys机械因为该软件处理非常复杂的非线性混合网格模型，有大量的接触。

换热器评估

Grantec评估了多种不同参数的换热器配置，包括不同的壳体直径和换热器长度，以及多种管板配置，范围约为200至500支管。许多管板排列高度不对称，因此不能用ASME代码方程来评估合规性，而ASME代码方程主要适用于对称管板图案。有些开发的模型有多达500个接触区域。此外，这些热交换器中的管不是光滑的，但有内部和外部翅片，以增加可用于传热的表面。

所建立的模型包括管与挡板之间的接触，以及挡板与外部换热器壳体之间的接触。这种理想化的设计为管道提供了支撑，并允许管道、挡板和壳体之间的差动热膨胀。这种安排产生了一个精确的约束、力和应力模型，这是合格设计所必需的。

Ansys Mechanical可以很容易地计算域中任何一点的力。

计算监管机构批准所需的数值

许多FEA软件包无法解决部分或全部这些问题，并且难以融合解决这些问题所需的大型复杂模型。制造商最初尝试用集成在计算机辅助设计系统中的软件模拟设计。这种软件不太适合有这么多联系人的复杂安排。使用机械进行压力容器和交换器分析提供了解决大型复杂模型所需的鲁棒性和可靠性。机械软件包含应力线性化工具，可以将应力通过截面分离为膜应力、弯曲应力和峰值应力。对于悬臂板，膜应力由拉伸载荷产生，而弯曲应力由施加垂直于悬臂板的载荷产生。力学使这些应力很容易计算在域的任何一点。该软件还具有先进的断裂力学模拟功能，Grantec公司将其用于压力和结构部件的适用性评估。

Grantec的分析报告导致了监管机构对换热器设计的快速批准。

Grantec工程师根据ASME BPVC Section VIII Division 1 Part UHX要求对换热器进行机械评估，包括每种换热器配置所需的多种负载情况。这些型号还包括制造商规定的腐蚀余量。为了获得更高的精度，工程师们使用固体元件对管板、交换器支架和焊接以及管板附近的部分管道进行建模。为提高计算效率，采用壳体单元对壳体和管的其余部分以及挡板进行建模。对管壳单元的性质进行了修正，以反映由翅片管单独分析得到的模量和泊松比。该模型在隔板处采用无摩擦接触，可以准确地模拟管的支撑和热生长。Grantec团队模拟了各种接触条件下的连接，包括键合、无分离和无摩擦。研究小组对模型施加压力和热负荷。组件和管状流体的重量使用重力载荷来考虑，而工程师使用静水压力载荷来考虑壳体流体和静头的重量。垫片和螺栓载荷也包括在模型的端头位置。

快速监管审批

Grantec工程师使用16核HPC平台上的Ansys高性能计算(HPC)软件套件解决了这些模型。Ansys HPC的使用被证明可以有效地减少计算要求高的分析的运行时间，其中一些分析有超过500个接触点，因此是高度非线性的。

除了ASME要求外，分析还按照加拿大标准协会(CSA) B51-14锅炉和压力容器规范，附件J:有限元分析要求进行并记录。附录J要求包括FE分析结果有效性的证明和文件。其中有应力结果收敛的证明。由于使用Ansys HPC软件，Grantec能够在高应力区域进行集中网格细化，快速进行大量分析，以确认收敛性和应力水平的可接受性。

Grantec的分析报告导致了监管机构对换热器设计的快速批准。在审查期间，为监管机构工作的技术专家赞扬了Grantec提交的彻底性和完整性。

请注意

Grantec的Richard Grant是CSA B51委员会的成员，并为CSA B51 2014年和2019年版中发布的附件J有限元分析要求的编写做出了贡献。