板式蒸發(fā)器異形蒸汽聯(lián)箱流固耦合分析

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(1.上海藍濱石化設(shè)備有限責任公司, 上海 201518；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

板式蒸發(fā)器以傳熱性高、節(jié)省空間、拆卸方便等優(yōu)點被廣泛應用于石油、化工、醫(yī)藥、造紙及海水淡化等行業(yè)[1-4]。蒸汽聯(lián)箱為板式蒸發(fā)器的蒸汽進口，新鮮蒸汽進口及二次蒸汽的出口宜設(shè)置在板體的上端，受板片及板體大小的限制，蒸汽聯(lián)箱常被設(shè)計成不規(guī)則的異形箱體(圖1)，導致在其加工制造及焊接時難以進行檢驗，只能進行單側(cè)焊接或間斷焊，增加了該部位的失效風險。

圖1 不同板式蒸發(fā)器蒸汽聯(lián)箱結(jié)構(gòu)

板式蒸發(fā)器一般在真空工況工作，其操作壓力為-0.088 MPa，設(shè)計壓力為-0.1 MPa。傳統(tǒng)的數(shù)值分析很難對板式蒸發(fā)器進行流動分析及結(jié)構(gòu)分析，更不能直觀地觀察其流動、變形和應力分布情況。姚凱等[5]、張玉寶[6]、陳文超等[7]、周丹等[8]利用有限元法對板式熱交換器進行熱-結(jié)構(gòu)分析及流固耦合分析，對熱交換器進行優(yōu)化設(shè)計，改進了設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

某廠檸檬酸離交液四效板式(TVR)蒸發(fā)裝置中的板式蒸發(fā)器運行過程中常在異形蒸汽聯(lián)箱與板體焊接處發(fā)生泄漏，導致裝置停產(chǎn)。文中采用FLUENT有限元軟件對異形蒸汽聯(lián)箱流動區(qū)域進行流固耦合分析，并對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以解決蒸汽聯(lián)箱泄漏失效問題。

1 異形蒸汽聯(lián)箱流體流動分析

1.1 有限元模型建立

采用FLUENT軟件，通過建立相關(guān)的流體流動模型，在一定邊界條件下，對一系列控制方程，例如能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程及動量守恒方程等進行數(shù)值離散化，從而對流體流動進行求解[9]。

蒸汽聯(lián)箱材質(zhì)通常為S30408、S31603或者S22053等，異形口結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。

通過Solidworks建立異形蒸汽聯(lián)箱流體區(qū)域結(jié)構(gòu)模型(圖3)并導入Workbench中。在Workbench中建立流體區(qū)域，運用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格單元進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為94 415個，得到的異形蒸汽聯(lián)箱流體區(qū)域有限元模型及網(wǎng)格劃分見圖4。工作流體水蒸氣從上部圓形入口進入，通過不規(guī)則的通道從右側(cè)異形口流出。

圖2 蒸汽聯(lián)箱異形口尺寸

圖3 異形蒸汽聯(lián)箱流體區(qū)域結(jié)構(gòu)模型

圖4 異形蒸汽聯(lián)箱流體區(qū)域有限元模型及網(wǎng)格劃分

標準k-ε湍流模型是半經(jīng)驗公式[10]，系通過實驗總結(jié)得出，應用范圍廣、精度合理。本文選擇標準k-ε湍流模型，應用壁面函數(shù)法解決壁面處高雷諾數(shù)模型存在的計算偏差，結(jié)合流體流動特點作如下幾點假設(shè)：①忽略重力、浮力的影響。②蒸汽聯(lián)箱進口各處流速相等，出口各處壓力相等。③不考慮流體熱損失。

1.2 邊界條件設(shè)置

(1)入口邊界條件 水蒸氣是可壓縮流體，因此采用質(zhì)量流量入口條件，入口質(zhì)量流量5.5 t/h，入口溫度365 K。

(2)出口邊界條件 出口邊界條件設(shè)置為壓力出口。壓力出口可以更好地模擬介質(zhì)流動過程中出現(xiàn)的回流情況，使分析結(jié)果能更好地收斂。出口壓力為-0.088 MPa。

(3)壁面邊界條件 流動采用無滑移速度邊界條件，即u=v=ω=0(其中u、v、w分別為速度在x、y和z方向的分量)。溫度分布服從絕熱分布。

1.3 流動分析結(jié)果

1.3.1壓力分布

通過FLUENT后處理提取的異形蒸汽聯(lián)箱內(nèi)流體壓力分布云圖見圖5。

圖5 異形蒸汽聯(lián)箱內(nèi)流體壓力分布云圖

從圖5可以計算得出流體進、出口壓差Δp=-8.73×104-(-8.85×104)=1 200(Pa)，此壓差就是流體通過蒸汽聯(lián)箱的壓力損失。這是因為異形結(jié)構(gòu)存在拐角及截面的突變，會導致介質(zhì)能量損失，從而帶來壓力損失。

1.3.2流速分布

通過FLUENT后處理提取的異形蒸汽聯(lián)箱內(nèi)流體流速分布云圖見圖6。

圖6 異形蒸汽聯(lián)箱內(nèi)流體流速分布云圖

從圖6可以看出，異形蒸汽聯(lián)箱內(nèi)流體流速最高達到了57.03 m/s。圖6蒸汽聯(lián)箱左下部的流速很低，形成死區(qū)。該部分流體基本不參與主流體的流動，只在原地做局部運動，減小了蒸汽聯(lián)箱的有效利用空間。蒸汽聯(lián)箱的豎直通道與異形通道交接處的內(nèi)側(cè)流速最大，流速值超過飽和蒸汽流速的一般經(jīng)驗值(20～40 m/s)[11-12]，主流區(qū)的流速在此范圍內(nèi)。局部流速過大會引起設(shè)備振動，產(chǎn)生噪聲，同時可能縮短設(shè)備的使用壽命。異形蒸汽聯(lián)箱結(jié)構(gòu)上存在窄細空間，不利于流體流動，從而產(chǎn)生死區(qū)。

2 異形蒸汽聯(lián)箱流固耦合分析

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前

通過Workbench工作平臺[13-14]，將流體分析的數(shù)據(jù)，主要是壓力及溫度數(shù)據(jù)傳遞到蒸汽聯(lián)箱結(jié)構(gòu)上，對其進行結(jié)構(gòu)力學分析，研究其變形及應力強度是否滿足要求。

異形蒸汽聯(lián)箱的載荷及約束見圖7，結(jié)構(gòu)變形云圖見圖8，整體應力分布云圖見圖9。

圖7 異形蒸汽聯(lián)箱載荷及約束

圖8 優(yōu)化前異形蒸汽聯(lián)箱結(jié)構(gòu)變形云圖

從圖8～圖9看出，異形蒸汽聯(lián)箱在外壓作用下的最大變形為6.6 mm，最大應力為446.5 MPa。由于異形蒸汽聯(lián)箱上的應力值過大，故對蒸汽聯(lián)箱進行應力線性化處理，選擇5條危險路徑A1-A2、B1-B2、C1-C2、D1-D2、E1-E2對蒸汽聯(lián)箱進行應力評定。評定路徑所處位置見圖10。

圖9 優(yōu)化前異形蒸汽聯(lián)箱整體應力分布云圖

圖10 異形蒸汽聯(lián)箱應力評定路徑

異形蒸汽聯(lián)箱結(jié)構(gòu)分析中包含熱應力分析，而熱應力屬于二次應力，因此按照一次應力+二次應力進行強度評定[15]。100 ℃時S30408的許用應力Sm=137 MPa，評定合格條件為應力小于3Sm。優(yōu)化前異形蒸汽聯(lián)箱應力評定結(jié)果見表1。

表1 優(yōu)化前異形蒸汽聯(lián)箱應力評定結(jié)果

從評定結(jié)果看，前4條路徑的應力評定結(jié)果均滿足強度要求，第5條路徑的應力評定結(jié)果不滿足強度要求。第5條路徑所處位置過渡圓角半徑僅10 mm，再加上距離約束位置比較近，故此處出現(xiàn)了應力集中。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后

從安全考慮對異形蒸汽聯(lián)箱進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將過渡圓角半徑由10 mm增大到25 mm，以減少應力集中系數(shù)。蒸汽聯(lián)箱在負壓狀態(tài)下存在失穩(wěn)的風險，故在薄弱部位增加2件加強筋(圖11)。加強筋間距180 mm，尺寸為560 mm×20 mm×2 mm。

對優(yōu)化之后的異形蒸汽聯(lián)箱熱結(jié)構(gòu)進行耦合分析，得到的變形以及應力分布云圖分別見圖11及圖12。

圖11 優(yōu)化后異形蒸汽聯(lián)箱結(jié)構(gòu)變形云圖

圖12 優(yōu)化后異形蒸汽聯(lián)箱應力分布云圖

從圖11～圖12可以看出，蒸汽聯(lián)箱在外壓作用下最大變形為3.2 mm，最大應力為402.1 MPa。按與優(yōu)化前相同路徑對優(yōu)化后的蒸汽聯(lián)箱進行應力線性化處理和應力評定，得到的結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化后異形蒸汽聯(lián)箱應力評定結(jié)果

通過對優(yōu)化后的蒸汽聯(lián)箱結(jié)構(gòu)進行耦合分析可知，蒸汽聯(lián)箱變形顯著減小，最大應力明顯降低，各路徑上的應力強度也比優(yōu)化前有所降低，全部滿足應力強度要求。

3 結(jié)語

通過對異形蒸汽聯(lián)箱進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使蒸汽聯(lián)箱變形量由原來的6.6 mm減小到3.2 mm，降低了蒸汽聯(lián)箱失穩(wěn)的風險。優(yōu)化后蒸汽聯(lián)箱的應力強度降低，應力評定由不合格變?yōu)楹细瘢黾恿私Y(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性。蒸汽聯(lián)箱泄漏失效問題得到解決。

流固耦合分析比單純的結(jié)構(gòu)分析更接近實際工況，通過流固耦合分析可以直觀地研究蒸汽聯(lián)箱在外壓及溫度作用下各位置的變形及應力情況，改進不合理的結(jié)構(gòu)，從而為蒸汽聯(lián)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供依據(jù)。