基于有限元模擬的板式換熱器結構分析

林偉杰 武全萍 馬競男

摘?要：板式換熱器作為一種壓力容器，其結構強度的優劣對換熱器性能有較大的影響。本位利用SolidWorks軟件建立了板式換熱器的三維模型，并結合ANSYS軟件對板式換熱器的結構進行有限元分析，得出了板式換熱器結構應力的分布情況。通過結果分析，可以為板式換熱器的結構優化提供依據。

關鍵詞：板式換熱器;結構應力;ANSYS分析

中圖分類號：TQ 051.5

板式換熱器具有傳熱系數高，適應性強，易于清洗和相對于管式換熱器來說金屬耗材小等優點，在能源、食品、化工、紡織等各行各業中都有著廣泛的應用。但板式換熱器在設計時，其流程與管程依照所選取介質的流動狀態計算而定，所以選取范圍比較廣泛。因此在換熱器的設計中往往存在著較大的不確定性。在設計計算完成之后，通常需要通過有限元分析的方式，來模擬換熱器在實際工作狀況下的受力情況。通過對板式換熱器的有限元分析來模擬其結構應力，并根據此計算模擬結果對其進行總結分析，[1]根據此分析結果，可以為板式換熱器的正常使用和故障檢測提供支持，也可為提高換熱器性能提供理論依據。

本文通過ANSYS軟件對某板式換熱器的結構應力進行了有限元模擬分析，并根據模擬結果分析了板式換熱器在運行過程中可能存在的問題。

1 換熱器數值模擬分析

所選取的板式換熱器板片的幾何參數如表1所示，換熱器的材料屬性如表2所示。

用ANSYS軟件，對換熱器進行模擬，模擬結果如圖1所示。

因為該換熱器為對稱結構，根據它的結構特點和載和性質，只對該換熱器的其中一半進行三維建模并做有限元分析，[2]所有部位均采用非結構化網格進行網格劃分。為簡化建模和計算，本文采用8根彈簧來代替板片做應力分析。

1.1 應力加載

根據對換熱器的計算，換熱器管程壓力為1.6MPa，選取當地的重力加速度為9.8m/s2，經計算可得螺栓預緊力為64550N，溫差壓力可以忽略不計。添加預緊力為64550N。[3]設置好約束效果之后，可以得到模擬后的分析結果，結果如圖2所示。

1.2 模擬結果

通過ANSYS軟件對換熱器計算仿真之后導出應力云圖，如圖3～4所示。

由上圖可得出固定板的最大應力32MPa和活動板的最大應力33MPa均小于該結構材料的最大許用應力，螺栓的最大應力為73MPa，也小于其材料的最大許用應力，故本次計算結果合理。

2 結論

（1）螺栓的受力最大，遠遠高出換熱器其他部件承受的壓力，因此在使用過程中最易損壞，使用時應定期對其進行檢修，以保證換熱器正常的工作。（2）固定壓緊板和活動壓緊板所受壓力雖然在材料的許用范圍之內，但固定壓緊板的板片中央，活動壓緊板與螺栓結合的孔口壓力較大，且在實際過程中，其承受的實際壓力要大于軟件模擬的結果。

參考文獻：

[1]徐志明，王月明，張仲彬.板式換熱器性能的數值模擬.動力工程學報，2011（3）：198-202.

[2]張婁紅，劉功祥.基于有限元模擬的板式換熱器結構應力分析.化工裝備技術，2018（6）：25-27.

[3]姚愷，張方駒，侯聰.基于流熱固耦合的板式換熱器熱應力分析.江蘇航空，2016（4）：24-26.