管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱及管板強(qiáng)度研究.pdf

1、由于結(jié)構(gòu)牢固，承受壓力和溫度的能力高，設(shè)計(jì)、制造和使用成熟，管殼式換熱器作為應(yīng)用最為廣泛的換熱設(shè)備在許多裝置的關(guān)鍵位置上發(fā)揮著重要作用。然而，與新型換熱器相比，管殼式換熱器在傳熱效率及結(jié)構(gòu)緊湊性方面存在不足。另一方面，在管殼式換熱器中，管板是最重要組件之一，其強(qiáng)度對(duì)于換熱器的安全至關(guān)重要。因此，提高管殼式換熱器的傳熱效率以及進(jìn)行管板強(qiáng)度研究具有重要理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本論文在完成部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元方法就一些

2、特殊結(jié)構(gòu)折流板和換熱管構(gòu)建的換熱器進(jìn)行了流動(dòng)、傳熱的模擬和綜合性能比較。同時(shí)對(duì)管板的輕量化方法以及U型管或浮頭式換熱器管板的熱應(yīng)力進(jìn)行了研究。主要工作和結(jié)論如下:
　　(1)通過(guò)對(duì)由弓形折流板、大小孔折流板、大小孔弓形折流板與波紋管、直管等5種結(jié)構(gòu)所構(gòu)建的六種換熱器進(jìn)行了傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于弓形折流板，大小孔折流板與大小孔弓形折流板有更低的殼程流動(dòng)阻力，但殼程傳熱系數(shù)略低于弓形折流板;而使用波紋管可以將傳熱效率提高3

3、0～38％。
　　(2)在得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)這6種換熱器進(jìn)行了比較系統(tǒng)的流場(chǎng)流動(dòng)和傳熱的數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，大小孔折流板與大小孔弓形折流板換熱器中殼程流體的縱向流動(dòng)明顯加強(qiáng)，同時(shí)大孔處的射流可以有效的強(qiáng)化傳熱并提升場(chǎng)協(xié)同性，減小流動(dòng)死區(qū);波紋管的湍流程度較高，同時(shí)場(chǎng)協(xié)同能力較好從而顯著地強(qiáng)化了傳熱。若以傳熱系數(shù)與壓降之比來(lái)衡量六種換熱器的性能，則大小孔弓形折流板波紋管換熱器的性能最好，這種換熱器具有良好的綜合性能與應(yīng)用前

4、景。
　　(3)將壓力容器分析設(shè)計(jì)方法與有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合對(duì)某U型管換熱器的管板進(jìn)行了參數(shù)化輕量化設(shè)計(jì)。研究發(fā)現(xiàn)，合理地建立路徑并參數(shù)化可以將分析設(shè)計(jì)中應(yīng)力分類的校核方式直接嵌入管板的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，從而有效提升管板輕量化計(jì)算的效率;對(duì)于本論文所分析的換熱器，依本論文方法進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)后比常規(guī)設(shè)計(jì)得出的管板厚度減薄了31％;同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，承受壓力載荷作用時(shí)，決定管板厚度的關(guān)鍵因素是管板中心處的膜加彎應(yīng)力強(qiáng)度，而與膜應(yīng)力相比，管板上

5、膜加彎應(yīng)力水平對(duì)管板的厚度更敏感。
　　(4)就U型管或浮頭式換熱器管板的熱應(yīng)力問(wèn)題，利用有限元方法對(duì)于管板的溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)，管板中溫度場(chǎng)的分布受換熱管內(nèi)的熱載荷影響較大;管板厚度的改變會(huì)影響有孔區(qū)域管程側(cè)與無(wú)孔區(qū)域的溫度場(chǎng);管板上的溫度梯度與管殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的大小有關(guān)，相對(duì)于管程傳熱系數(shù)，殼程傳熱系數(shù)對(duì)管板溫度場(chǎng)的影響更明顯;換熱管與管板之間的接觸熱阻會(huì)導(dǎo)致管板有孔區(qū)域整體溫度梯度的降低。
　　(5)在溫度場(chǎng)分析