管殼式換熱器強化傳熱及管板強度研究.pdf

1、由于結構牢固，承受壓力和溫度的能力高，設計、制造和使用成熟，管殼式換熱器作為應用最為廣泛的換熱設備在許多裝置的關鍵位置上發(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構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，其強度對于換熱器的安全至關重要。因此，提高管殼式換熱器的傳熱效率以及進行管板強度研究具有重要理論意義和工程應用價值。
　　本論文在完成部分實驗驗證的基礎上，應用有限元方法就一些

2、特殊結構折流板和換熱管構建的換熱器進行了流動、傳熱的模擬和綜合性能比較。同時對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力進行了研究。主要工作和結論如下:
　　(1)通過對由弓形折流板、大小孔折流板、大小孔弓形折流板與波紋管、直管等5種結構所構建的六種換熱器進行了傳熱性能實驗研究，結果發(fā)現，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阻力，但殼程傳熱系數略低于弓形折流板;而使用波紋管可以將傳熱效率提高3

3、0～38％。
　　(2)在得到實驗驗證的基礎上，對這6種換熱器進行了比較系統(tǒng)的流場流動和傳熱的數值模擬研究。結果表明，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明顯加強，同時大孔處的射流可以有效的強化傳熱并提升場協同性，減小流動死區(qū);波紋管的湍流程度較高，同時場協同能力較好從而顯著地強化了傳熱。若以傳熱系數與壓降之比來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用前

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

5、膜加彎應力水平對管板的厚度更敏感。
　　(4)就U型管或浮頭式換熱器管板的熱應力問題，利用有限元方法對于管板的溫度場進行了研究，發(fā)現，管板中溫度場的分布受換熱管內的熱載荷影響較大;管板厚度的改變會影響有孔區(qū)域管程側與無孔區(qū)域的溫度場;管板上的溫度梯度與管殼程對流傳熱系數的大小有關，相對于管程傳熱系數，殼程傳熱系數對管板溫度場的影響更明顯;換熱管與管板之間的接觸熱阻會導致管板有孔區(qū)域整體溫度梯度的降低。
　　(5)在溫度場分析