快速满足热交换器法规

作者:Richard Grant，加拿大哈利法克斯格兰泰克工程顾问公司总裁

由于潜在的高工作压力和故障后果(可能包括人身伤害、设备损失和/或产量和收入下降)，壳管式热交换器被归类为压力容器。在北美和世界其他地方，压力容器受到严格监管。委托新设计需要获得监管部门的批准。具有对称管布局的热交换器通常可以使用规范进行评估，例如美国机械工程师协会(ASME)锅炉和压力容器规范(BPVC)。然而，对于具有高度非对称管布局的交换器，模拟通常是验证这些设计的唯一经济有效的方法。最近，格兰泰克工程公司使用Ansys机械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，以获得监管机构的快速批准。

近年来，计算流体力学(CFD)软件，如Ansys流利，简化了模拟流体流过换热器两段的过程。工程师可以获得关键信息，如管壳内的流动分布、再循环区域、热传递较大和较小的区域、套管温度、套管压力等。

这些信息使得通过设计更均匀、更有效的流型的管壳布局来优化传热能力和压降成为可能。由此产生的不对称设计在热交换器的使用寿命期间提供了性能的实质性改进。

Grantec受聘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。

热交换器评估

Grantec评估了多种具有不同参数的交换器配置，包括一系列不同的壳体直径和交换器长度，以及200至500根管的多种管板布置。许多管板布置是高度不对称的，因此无法用主要适用于对称管板模式的ASME规范方程来评估顺应性。开发的一些模型有多达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折流板之间的接触，以及折流板与外部换热器壳之间的接触。这种理想化的设计为管道提供了支撑，并允许管道、挡板板和外壳之间的热膨胀差异。这种安排产生了约束、力和应力的精确模型，这是设计合格所必需的。

Ansys机械可以很容易地计算力在任何一点的领域。

计算法规批准所需的值

许多FEA软件包无法解决部分或全部这些问题，并且难以将解决这些问题所需的大型复杂模型聚合在一起。制造商最初尝试用集成到计算机辅助设计系统中的软件模拟设计。这个软件不太适合有这么多联系人的复杂安排。使用Mechanical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，将应力通过一个部分分离成膜，弯曲和峰值应力。对于悬臂板，膜应力是由拉伸载荷产生的，而弯曲应力是由向悬臂施加法向载荷产生的。力学使得计算这些应力在任何一点的领域很容易。该软件还具有先进的断裂力学模拟功能，Grantec将其用于压力和结构部件的适用性评估。

Grantec的分析报告使热交换器设计得到了监管机构的快速批准。

格兰泰克工程师根据ASME BPVC Section VIII Division 1 - Part UHX要求对热交换器进行了机械评估，包括每种换热器配置所需的多个负载情况。这些型号还包括制造商规定的腐蚀余量。工程师们使用固体元件来模拟管板、交换器支架和焊缝，以及管板附近的管道部分，以获得更高的精度。为了提高计算效率，采用壳单元对壳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改，以反映从翅片管的单独分析中得出的模量和泊松比。该模型在隔板处采用无摩擦接触，从而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，包括粘合、无分离和无摩擦。研究小组对模型施加了压力和热负荷。在考虑重力载荷时，考虑了部件和管流体的重量，而在考虑静水压力载荷时，考虑了壳体流体和静封头的重量。垫片和螺栓载荷也包括在末端头部位置的模型中。

快速监管审批

Grantec工程师使用Ansys高性能计算(HPC)软件套件在16核HPC平台上解决了这些模型。事实证明，Ansys HPC的使用有效地减少了对计算要求很高的分析的运行时间，其中一些分析有超过500个接触，因此是高度非线性的。

除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录J:有限元分析要求进行并记录。附录J要求包括FE分析结果有效性的论证和文件。其中包括应力结果趋同的论证。由于使用Ansys HPC软件，Grantec能够快速执行大量分析，并在显示高应力的区域进行集中网格细化，以确认应力水平的收敛性和可接受性。

Grantec的分析报告使热交换器设计得到了监管机构的快速批准。在审查期间，一名为监管机构工作的技术专家赞扬了格兰泰克提交的文件的彻底和完整。

请注意

Grantec的Richard Grant是CSA B51委员会成员，并参与编写了2014年和2019年版CSA B51中发布的附件J有限元分析要求。