強(qiáng)化型波紋管傳熱過程若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究.pdf

1、換熱設(shè)備在核工業(yè)、能源、石油、化工、電力等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，在節(jié)能降耗上起著重要的作用。強(qiáng)化傳熱過程及其裝備的設(shè)計理論研究是傳熱學(xué)、流體力學(xué)、彈性力學(xué)、機(jī)械設(shè)計理論和熱能工程領(lǐng)域的重要研究課題。強(qiáng)化型波紋管換熱器是一種優(yōu)良的強(qiáng)化傳熱裝備，它通過流通截面周期性變化的強(qiáng)化型波紋管作為換熱元件，傳熱系數(shù)大大提高，換熱能力提高2-3倍，具有重要的應(yīng)用價值。但其工藝過程中的傳熱、流體阻力、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、振動特性等理論問題沒有得到根本解決。

2、 本文利用傳熱學(xué)、流體力學(xué)、彈性力學(xué)、振動力學(xué)、有限單元法以及實驗測試技術(shù)對波紋管管內(nèi)液體傳熱特性、管內(nèi)流阻特性、波紋管的強(qiáng)度剛度穩(wěn)定性、波紋管振動特性以及波紋管管板強(qiáng)度等問題進(jìn)行了研究。 分析了對流傳熱的主要影響因素，說明了波紋管強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。認(rèn)為對流傳熱熱阻的主要在邊界層，波紋管強(qiáng)化傳熱的關(guān)鍵在于流體對邊界層的擾動和沖刷，減薄和破壞了邊界層。提出了確定截面平均物理量的體積流量平均法以及根據(jù)波紋管內(nèi)流體速度分布和溫度分

3、布推算波紋管局部對流傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)的方法，推導(dǎo)了根據(jù)波紋管內(nèi)速度分布和溫度分布來求解局部對流傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)的公式，所得結(jié)果對傳熱研究具有普遍的指導(dǎo)意義。用所提出的方法得到了特定規(guī)格波紋管管內(nèi)傳熱的準(zhǔn)則方程，表明波紋管的傳熱系數(shù)是相應(yīng)的光滑直管的2.5倍多，并且波紋管的尺寸加工誤差對傳熱性能影響不大，這些結(jié)果對波紋管傳熱過程的工程應(yīng)用具有重要意義。 用因次分析法得到波紋管流動阻力系數(shù)與流體流動狀態(tài)及波紋管無量綱尺寸之間的關(guān)

4、系，對波紋管的流動阻力研究具有普遍的指導(dǎo)意義。結(jié)合實驗與數(shù)值研究，得出了特定規(guī)格波紋管的流動阻力系數(shù)表達(dá)式，對其工程應(yīng)用具有重要價值。 對波紋管進(jìn)行了實驗和數(shù)值應(yīng)力分析，結(jié)果表明，光滑直管經(jīng)成型加工制成波紋管后，應(yīng)力分布復(fù)雜化，并明顯大于成型前的光滑直管的應(yīng)力。波紋管屈服壓力比成形前明顯降低，但爆破壓力與成形前的光滑管基本相同。由于波紋管的制造尺寸偏差及劇烈的形狀突變，實驗應(yīng)力分析結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果雖然不能較好地反映實際情況，但

5、能定性確定波紋管的應(yīng)力分布情況，對進(jìn)行進(jìn)一步分析有重要參考價值。提出波紋管的強(qiáng)度安全性分析的爆破設(shè)計準(zhǔn)則，具有重要的應(yīng)用價值。 用實驗方法研究了波紋管的軸向剛度，發(fā)現(xiàn)波紋管的軸向變形根據(jù)變形量大小分四個階段，因而有4個剛度數(shù)據(jù)。波紋管的軸向變形即有拉伸作用的貢獻(xiàn)，又有彎曲作用的貢獻(xiàn)，其剛度與厚度的關(guān)系介于兩者之間，研究結(jié)果表明，波紋管的軸向剛度與長度成反比，與厚度的1.5次冪成正比。根據(jù)波紋管軸向剛度研究，提出了波紋管換熱器管板

6、的強(qiáng)度分析的當(dāng)量彈性模量法，對波紋管換熱器的工程應(yīng)用具有重要意義。 用實驗方法研究了波紋管的外壓穩(wěn)定性，表明波紋管的外壓穩(wěn)定性比相應(yīng)的光滑直管好，提出在波紋管結(jié)構(gòu)安全分析中可以保守地按光滑直管進(jìn)行外壓穩(wěn)定性計算。推導(dǎo)了光滑直管的軸向臨界壓力計算公式，分析了波紋管的幾何特點和穩(wěn)定性彎曲微分方程的特征，提出了波紋管的軸向穩(wěn)定安全性分析的當(dāng)量抗彎剛度法，在進(jìn)行波紋管穩(wěn)定安全性分析時可將波紋管當(dāng)量化成具有相同抗彎剛度的光滑直管。得到了特

7、定規(guī)格的波紋管當(dāng)量抗彎剛度表達(dá)式。 根據(jù)換熱器中換熱管的三種支承邊界條件，推導(dǎo)了光滑直換熱管的橫向振動固有頻率。對換熱管振動微分方程的特征和波紋管的幾何特點進(jìn)行分析，提出了當(dāng)量抗彎剛度和當(dāng)量單位長度質(zhì)量的概念，認(rèn)為分析波紋管振動特性時，可把波紋管當(dāng)量化成具有相同橫向抗彎剛度和單位長度質(zhì)量的光滑直管。對管外流體橫向繞流管子的問題進(jìn)行了定性分析，指出流體橫向繞流光滑直管和橫向繞流波紋管雖然有差別，在波紋管波峰不是很大時，這種差別不會