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1、实验二 换热器壳体应力测定实验一、实验目的1测定在壳程压力作用下换热器壳体上的应力；2测定在压力和温度载荷联合作用下换热器壳体上的应力3掌握电阻应变原理和应力测定方法，熟悉电阻应变仪的使用方法；。二、实验原理应力测定中通常用电阻应变仪来测定各点的应变值，然后根据广义胡克定律换算成相应的应力值。换热器壳体可认为是处于二向应力状态，因此，在弹性范围内广义胡克定律表示如下： 周向应力： （2-1） 轴向应力： （2-2）式中E和分别为设备材料的弹性模量和泊桑比；和 分别为周向应变和轴向应变。电阻应变仪的基本原理就是将应变片电阻的微小变化，用电桥转换成为电压电流的变化。在正常操作条件下，换热器壳体中的
2、应力是流体压力载荷（壳程压力、管程压力）、温度载荷及重力与支座反力所引起的。由于换热器的轴向弯曲刚度大，重力与支座反力在壳体上产生的弯曲应力相对较小，可以忽略。因温度载荷只引起轴向应力，当压力载荷和温度载荷联合作用时有： （2-3） （2-4）式中 压力载荷在换热器壳体中引起的环向应力，； 压力载荷在换热器壳体中引起的轴向应力，； 温度载荷在换热器壳体中引起的轴向应力，。温度载荷或温差大小的计算应以管程和壳程流体进出换热器壳体的温度值为依据。但在实际试验中，从温度传感器到换热器出入口的过程中有热量损失，所以换热器入口和出口的温度与测得的数据并非一致，换热器入口和出口的温度可估算如下。如图2-1
3、，、分别为换热器管程热水入口和出口温度，、分别为换热器壳程冷水入口和出口温度，其中入口温度和测量值是一致的。图2-1 温度分布示意图（1）计算流体流经管路损失的热量等于流体经过管壁传出的热量，因管内为水，管外为空气（设温度为t0），总传热系数K可近似等于水的传热系数，因此有： 由此得 （2-5）其中： ，管内径，=0.025m；从传感器到换热器热水入口的长度，=0.3m； 从传感器到换热器热水入口管程总传热系数，其它符号说明见本实验附录。（2）计算的计算与相似。根据得： （2-6）其中： ，管内径，=0.025m； 从换热器热水出口到传感器的长度，=0.3m； 从换热器热水出口到传感器的管程总
4、传热系数，。（3）计算 与和计算相似，计算如下：由 得： （2-7）其中：，管内径，=0.025m；从换热器冷水出口到传感器的长度， =0.3m； 从换热器冷水出口到传感器的管程总传热系数，。 （2-8）三、实验步骤1启动实验程序“BZ2205C”；2选择实验方式：壳程受压3单击“平衡”按钮，应变仪进行平衡；4单击“测量”按钮，检查应变读数是否基本为零（若偏差较大时重复3、4步骤）5实验方案1：换热器壳程走冷流体，管程无流体（无温差应力）。实验流程如图2-4所示。图中P1冷水泵进口压力；P2冷水泵出口压力； P4换热器壳程进口压力；P5换热器壳程出口压力； T1换热器壳程进口温度； T4换热器
5、壳程出口温度；F1冷水泵流量； V14电动调节阀。5.1打开阀门V06、V10，其它阀门均关闭，使冷流体走换热器壳程，并经流量调节阀V14流回水箱；5.2开启工控机，点击“换热器温差应力实验”图标，进入实验程序界面，选择“壳程受压”，单击“清空数据”按钮清空数据库；5.3灌泵：打开自来水阀门V02，旋开冷水泵排气阀放净空气，待放完泵内空气后关闭，保证离心泵中充满水，再关闭自来水阀门V02；5.4启动冷水泵：将水泵运行方式开关 “11-7” 旋向 “工频”，选择工频运转方式，然后按下水泵启动按钮“11-11”， 冷水泵开始运转；5.5转动旋钮“11-9”调节电动调节阀V14，改变壳程流体流量，使
6、换热器壳程进口压力依次从0.2到0.8MPa，每隔0.1 MPa测量并记录一次换热器进、出口压力和应变值；5.6关闭冷水泵：打开阀门 V07，按下水泵关闭按钮“11-10”， 冷水泵停止运转5.7不退出实验程序，继续做温差应力实验。6. 实验方案2：换热器壳程走冷流体，管程走热流体（存在温差应力）。实验流程如图2-5所示。图2-5换热器壳程走冷流体管程走热流体实验流程图中P1冷水泵进口压力；P2冷水泵出口压力；P3换热器管程出口压力；P4换热器壳程进口压力；P5换热器壳程出口压力；P6换热器管程进口压力； T1换热器壳程进口温度；T2换热器管程出口温度；T3换热器管程进口温度；T4换热器壳程出
7、口温度；F1冷水泵流量；F2热水泵流量；V14电动调节阀。6.1打开阀门V06、V10，V04、V08，其它阀门均关闭，使冷流体走换热器壳程，并经流量调节阀V14流回水箱，热流体走换热器管程； 6.2开启燃油炉，设置温度上限75，设置温度下限70；6.3选择“温差应力”，单击“清空数据”按钮清空数据库；6.4启动冷水泵：按下水泵启动按钮“11-11”， 冷水泵开始运转；6.5待燃油炉内水温达到温度上限时，顺时针转动开关“11-12”开循环泵，待热水基本均匀后逆时针转动开关“11-12” 关闭循环泵，再顺时针转动开关“11-13”开启热水泵；6.6调节流量调节阀V14，改变壳程流体流量，使换热器
8、壳程进口压力稳定在0.5MPa；调节阀门V04，使热流体流量Q2保持在0.3L/s左右；6.7换热器管程进口温度会逐渐下降，从70到40，约每间隔5依次测量并记录一次应变。6.8关闭热水泵：逆时针转动开关“11-13”关闭热水泵；6.9关闭冷水泵：打开阀门 V07，按下水泵关闭按钮“11-10”， 关闭冷水泵。四、数据处理1壳程压力引起的壳体应力（只有冷流体走壳程）壳程压力可取壳程冷流体进出口压力、的平均值，即。管程没有流体，因此管程压力和温差载荷为零。将测量出的结果填入数据表2-1中。忽略换热器重力和支座反力的影响，各点应力相等，故各点应变取平均值。即 = (1+2+n) / n （2-9）
9、 = (1+2+n) / n （2-10） n 测点数将、代入（2-1）、（2-2）式计算各实验压力下的应力。绘制曲线。2温度载荷作用引起的壳体应力让热水走管程，冷水走壳程。此时，壳程压力取壳程冷流体进出口压力、的平均值，即。管程压力取管程热流体进出口压力、的平均值，即。由于换热管内外均为水，换热器壳体外为大气，因此，。表2-1 壳程压力实验测量结果 (MPa) (MPa)测 点12345123451234512345换热管壁温可近似取两侧流体温度的平均值，即，其中、为壳程冷流体进出口温度，、为管程热流体进出口温度。换热器壳体壁温可近似取壳程冷流体平均温度，因此，管壁和壳体的温差为： 将测量出的结果填入数据表2-2中。表2-2 温度载荷实验测量结果 (oC)(oC)(oC)(oC)(MPa) (MPa)(MPa)(MPa)测点12345123451234512345
