一种制冷装置用压力容器异型结构的设计探讨

陈锦虹

摘要：制冷装置用压力容器中，经常会出现一些异形结构，如两器水侧的翻边封头、冷媒侧壳体因内置过冷却器而大开孔（轴向开长椭圆孔）以及兼作支承的方型管板等。其中，方型管板作为一种异型结构（以下简称异型管板），在离心式冷水机组两器中使用最为广泛。该类异型管板在制冷装置中应用时，现有计算标准并不完全适用。基于此，本文以离心式冷水机组蒸发器为例，首先结合其他的一些异型管板设计研究理论和实践展开异型管板的强度计算及设计分析探讨；其次，简单阐述了蒸发器异型管板设计中用到的常规专项计算，以此保证类似结构异型管板的设计满足要求。

关键词：制冷装置；蒸发器；异型管板

引言：当前，我国压力容器标准中关于热交换器管板强度计算的方法已有很大完善，但制冷装置中蒸发器异型管板的计算设计仍存盲点。异型管板有着特殊的布管结构，主要表现为管程分程隔板上下两侧的换热管布管严重不对称，上侧布管较少，下侧布管较多，导致布管圆内的换热管对管板的支撑效应严重不均衡。而现阶段，其实并无一种完全精准的计算方法来确定此类管板的厚度。因此，需要进一步展开对异型管板的设计探讨。

一、制冷装置蒸发器异型管板参数设计

在制冷装置中，可对蒸发器异型管板强度产生影响的参数主要有：管板筒体直径（ ）、管板厚度（ ）、管板环形布管区（ ）、管板有效载荷（ ）、管孔强度削弱系数（ ）、筒体约束因子（ ）、管束弹性支撑系数 。由于制冷装置中的蒸发器异型管板结构与常规设计形式存在差异，因此需在现有设计计算标准基础上进行调整优化，结合实际应用情况来看，异型管板所承受的有效当量载荷主要包括管程压力、壳程压力、泊松比效应、温差载荷，参照弹性基础板理论可得出异型管板最大应力公式（式1）。

（1）

式（1）中， -异型管板最大应力； -管板筒体直径； -管板厚度； -管板有效载荷； -管孔强度削弱系数； - 、 、 的函数。

二、异型管板强度计算及设计

为确保本次所得数的计算公式可为设计过程做出指导，明确设计参数规范，确保所设计的蒸发器异型管板可在制冷装置中发挥出原有效果，以下将从有限元分析模型、强度系数求解、最大应力分析、计算公式拟合四方面展开分析。

（一）建立有限元分析模型

在异型管板计算与设计中，采用ANSYS分析软件，该软件分析可靠性较高，但需构建合理分析模型，借助APDL技术，根据制冷装置蒸发器异型管板特殊结构建立全参数分析模型，模型计算分析过程高度参数化，可降低分析误差出现概率，并为参数计算奠定基础。构建异型管板有限元分析模型时，换热器筒体长度为换热管筒体伸出长度的两倍，根据消除热应力完成热膨胀量计算工作，换热管和蒸发器筒体一端固定在异型管板上，另一端设置轴向约束，起到固定效果，而管板底部需添加全约束，将管板作为支撑，同时对称面增设对称约束。在管板换热管内部与管程侧施加管程压力；在换热管外表面与筒体内表面增设壳程压力；于管板管程侧添加垫片压紧力与最小螺栓力。换热管数取决于蒸发器直径，如 572的异形管板换热管数存在三种，即117、130、140，而 661的异形管板换热管数包括166、181、195三种， 835的异形管板换热管数包括305、331、375三种。在本次设计中，考虑到对制造工艺及管板强度的要求，展开计算分析时，将管板厚度范围限制在10~40mm范围内，设计间隔为5mm。

（二）管板强度系数求解

为确保设计效果，采用相同材质蒸发器材料及换热管规格，此时可将管束弹性支撑系数 的计算进行简化，得出：

（2）

式（2）中， -管束弹性支撑系数；n-换热管根数；L-换热管长度； -管板厚度； -管板筒体直径。本次设计依托于GB/T 151-2014《热交换器》，管板环形布管区（ ）按其计算方式设定为： ；而管孔强度削弱系数（ ）按照企业设计计算标准展开计算，选取系数均值。在强度设计中，需确保异型管板承载力满足各类危险组合，即壳程压力 、管程压力 、温差应力 、法兰力矩 ，为便于设计计算，将法兰力矩 作为中心承受点，将此时产生的最大弯矩设计为均匀压力 ，计算过程如下：

（3）

式（3）中， -法兰力矩； -均匀压力； -管板筒体直径； -螺栓中心至垫片的径向距离； -螺栓中心直径； -垫片作用直径。

（4）

式（4）中， -温差应力； 分别为GB151中系数及热膨胀变形差； -换热管材弹性模量。

（5）

式（5）中， -管板有效载荷； 、 -GB151系数设定； -壳程压力； -管程压力；； -换热管材弹性模量； -均匀压力。

（三）最大应力分析

为进一步确定 ，对异型管板展开有限元分析，需在以上计算基础上确定相同管板厚度条件下，各参数与应力强度的关系，经计算后得出， 与布管区间为正相关关系， 随布管区的增加而增大，此时最大应力降低，这就意味着，管束蒸发器异型管板的支撑效果大于削弱效果；管束弹性支撑系数与最大应力间存在负相关关系，当管束弹性支撑系数 增大时，最大应力降低，这就意味着弹性支撑效果可降低管板挠度，此外，管板厚度与管束弹性支撑系数间存在负相关关系， 值随管板厚度的提升而降低。由此可见，管板厚度对应力强度的影响大于 值带来的影响。

（四）管板计算公式拟合

现阶段 、 、 等软件的数据分析能力较为优异，功能强大，在本次设计计算中主要采用 展开统计分析，从统计作图、数据分析两部分展开设计，产生数据统计图形。为分析归纳异型管板计算结果，需展开计算公式拟合，选取拟合函数：

（6）

运用 软件完成拟合后，针对制冷装置蒸发器异型管板完成有限元分析计算后，得出待定系数 、 、 、 分别为 、 、 、 ，此外可进一步确定应力关联式：

（7）

式（6）、（7）中， -异型管板最大应力； -管板有效载荷； -管孔强度削弱系数； -管板筒体直径； -管板厚度； -管板环形布管区； -筒体约束因子。为验证本次计算设计合理性，将根据关联式（7）得出的数据与有限元分析计算得数的数据进行对比分析，具体如图1所示，图中公式值为式（7）数值，FEA值为有限元分析所得数值，根据对比分析发现，两者间差距不大，可证明数据拟合效果优异，可按此公式展开蒸发器异型管板设计。

图 1 异型管板应力拟合与有限元分析数据对比图

三、异型管板的常规专项计算

离心式冷水机组蒸发器在具体设计时，一般需要根据NB/T47012-2020《制冷装置用压力容器》并结合GB/T 151-2014《热交换器》对异型管板进行专项计算，其中可按式（8）进行异型管板的无管束部分的计算校核。

（8）

δ— 管板计算厚度 ，mm

l — 支撑的间距(按相切圆 ) ，mm

P — 设计压力，MPa

C — 系数

— 设计温度下平板材料的许有应力，MPa

结论：综上所述，本文通过有限元模拟的方式获得异型管板设计参数，明确异型管板结构与应力间的关系，借助数据拟合获得计算关联式，对异型管板厚度计算过程进行简化，完善了现有计算公式中管板厚度计算的缺陷，经设计与验证后发现本次拟合计算与有限元数据差异较小，证明本次计算设计较为恰当。此外，补充了一种异型管板的常规专项计算，以供参考。

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