预应力固定管板换热器预变形与应力特性的数值分析
为了实施预应力换热器技术，对预变形下固定管板式换热器中变形相互约束的构件之间所产生的温差应力与变形分布特性进行了数值研究。借鉴“分段建模，整体综合”的换热器流体力学与传热的数值模拟新方法，利用CFD得到换热器温度场并作为ANSYS结构分析边界条件，采用预拉伸单元进行预变形量的施加与控制，从而获得了热-结构耦合分析结果。数值模拟结果与实验数据吻合得很好，说明所采用的研究方法是合理和可行的。此外，实验和数值分析结果均证实，通过合理地施加和控制预变形量，可以有效缓解和协调固定管板换热器在运行中各构件（管板、壳体、管束）之间的变形约束，从而创造良好的运行环境，最终提高换热器的运行可靠性和使用寿命。
管壳式换热器的管壳程温差引起的热应力是导致固定管板换热器运行发生破坏的主要原因，而一般经验认为，当管壳壁温差超过50℃就应对换热器采取热补偿措施，以缓解过大的温差热应力。为了消除或降低热应力的影响，人们从理论和实践上都提出了很多解决方法，预应力换热器就是一种有针对性的解决方案。提出了采用反向变形的预应力换热器制造技术，该技术首先采用数值分析计算换热器的管壳可能产生的最大温差膨胀量，在换热器的制造过程中施加合适的反向预变形来抵消或降低换热器运行过程中产生的温差热应力。
由于管壳式换热器结构的复杂性，目前对换热器热应力的分析研究大多采用数值分析的方法，公开发表的文献大多利用局部模型进行数值模拟分析，在换热器整体模型上展开研究的较少。对于采用预变形技术的换热器性能分析研究更少，本文利用“分段建模，整体综合”CFD模拟新方法，首先从传热与流体力学的角度研究了换热器中温度场的分布，利用CFD得到的温度场作为有限元分析软件ANSYS结构分析边界条件，并且采用预拉伸单元进行预变形量的施加与控制，从而获得热-结构耦合分析的结果，最后将有限元结果与实验测试数据相比较，对管板及换热管在预变形作用下的应力特性进行了研究和探索。研究结果表明，通过施加预变形量，可以大幅降低运行中的换热器管壳程壁温差引起的应力峰值，有效改善固定管板换热器的安全运行环境，延长管板管子工作寿命，提高了换热器的运行可靠性。