管壳式换热器强化传热及管板强度研究

摘要

由于结构牢固，承受压力和温度的能力高，设计、制造和使用成熟，管壳式换热器作为应用最为广泛的换热设备在许多装置的关键位置上发挥着重要作用。然而，与新型换热器相比，管壳式换热器在传热效率及结构紧凑性方面存在不足。另一方面，在管壳式换热器中，管板是最重要组件之一，其强度对于换热器的安全至关重要。因此，提高管壳式换热器的传热效率以及进行管板强度研究具有重要理论意义和工程应用价值。
　　本论文在完成部分实验验证的基础上，应用有限元方法就一些特殊结构折流板和换热管构建的换热器进行了流动、传热的模拟和综合性能比较。同时对管板的轻量化方法以及U型管或浮头式换热器管板的热应力进行了研究。主要工作和结论如下:
　　(1)通过对由弓形折流板、大小孔折流板、大小孔弓形折流板与波纹管、直管等5种结构所构建的六种换热器进行了传热性能实验研究，结果发现，相比于弓形折流板，大小孔折流板与大小孔弓形折流板有更低的壳程流动阻力，但壳程传热系数略低于弓形折流板;而使用波纹管可以将传热效率提高30～38％。
　　(2)在得到实验验证的基础上，对这6种换热器进行了比较系统的流场流动和传热的数值模拟研究。结果表明，大小孔折流板与大小孔弓形折流板换热器中壳程流体的纵向流动明显加强，同时大孔处的射流可以有效的强化传热并提升场协同性，减小流动死区;波纹管的湍流程度较高，同时场协同能力较好从而显著地强化了传热。若以传热系数与压降之比来衡量六种换热器的性能，则大小孔弓形折流板波纹管换热器的性能最好，这种换热器具有良好的综合性能与应用前景。
　　(3)将压力容器分析设计方法与有限元优化设计相结合对某U型管换热器的管板进行了参数化轻量化设计。研究发现，合理地建立路径并参数化可以将分析设计中应力分类的校核方式直接嵌入管板的优化设计方法中，从而有效提升管板轻量化计算的效率;对于本论文所分析的换热器，依本论文方法进行轻量化设计后比常规设计得出的管板厚度减薄了31％;同时也发现，承受压力载荷作用时，决定管板厚度的关键因素是管板中心处的膜加弯应力强度，而与膜应力相比，管板上膜加弯应力水平对管板的厚度更敏感。
　　(4)就U型管或浮头式换热器管板的热应力问题，利用有限元方法对于管板的温度场进行了研究，发现，管板中温度场的分布受换热管内的热载荷影响较大;管板厚度的改变会影响有孔区域管程侧与无孔区域的温度场;管板上的温度梯度与管壳程对流传热系数的大小有关，相对于管程传热系数，壳程传热系数对管板温度场的影响更明显;换热管与管板之间的接触热阻会导致管板有孔区域整体温度梯度的降低。
　　(5)在温度场分析的基础上，模拟得到了U型管或浮头式换热器管板的热应力场，并就其热应力分布规律及其影响因素进行了研究，特别是从管板厚度和管壳程对流传热系数的角度分析了如何降低U型管或浮头式换热器管板中的热应力;为便于工程应用，在足够数值模拟结果基础上，拟合得到了管板中心处表面径向热应力与管板主要结构参量之间的关联式。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 论文背景及意义

1．2 管壳式换热器强化传热及管板强度研究现状

1．2．1 管壳式换热器流体流动与传热研究进展

1．2．2 管壳式换热器管板分析方法、轻量化、热应力研究进展

1．3 本论文主要研究内容

第二章 六种管壳式换热器传热及压降实验

2．1 实验目的

2．2 实验用换热器结构

2．2．1 实验用换热管结构

2．2．2 实验用折流板结构

2．2．3 实验用换热器图纸

2．3 传热与压力降测试实验台

2．4 实验过程与数据处理方法

2．4．1 实验过程

2．4．2 数据处理

2．5 压降及传热实验结果

2．5．1 压力降

2．5．2 传热结果

2．6 本章小结

第三章 六种管壳式换热器传热及流体流动数值模拟研究

3．1 换热器传热模型

3．1．1 几何模型及其简化

3．1．2 边界条件

3．1．3 网格、求解设置及无关性测试

3．2 压降及传热数值计算结果

3．2．1 压力降

3．2．2 传热结果

3．3 本章小结

第四章 基于有限元与分析设计方法的U型管换热器管板轻量化设计

4．1 高压U型管换热器管板模型建立

4．1．1 高压U型管换热器结构

4．1．2 有限元模型的简化及材料参数

4．1．3 单元选用、网格划分及网格无关性测试

4．1．4 边界条件与优化参数设置

4．2 优化设计与最终结果对比

4．2．1 应力场分布对比

4．2．2 管板厚度影响分析

4．3 本章小结

第五章 管板的温度场研究

5．1 管板结构的参数化有限元模型

5．1．1 管板基本结构及参数

5．1．2 网格及边界条件设置

5．2 管板内温度场分布

5．2．1 管板温度场的分布形态

5．2．2 厚度对管板温度场分布的影响

5．2．3 管板对流传热系数对温度场的影响

5．3 本章小结

第六章 U型管或浮头式换热器管板的热应力研究

6．1 U型管或浮头式换热器管板热应力计算模型

6．1．1 模型及单元选用

6．1．2 边界条件

6．2 U型管或浮头式换热器管板热应力

6．2．1 管板热应力分布及分析

6．2．2 管板厚度对热应力的影响

6．2．3 管板管壳程对流传热系数对热应力的影响

6．3 U型管或浮头式换热器管板表面中心处热应力关联式拟合

6．3．1 管板结构参数对管板中心表面热应力影响

6．3．2 管板中心处表面径向应力关联式

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所发表的论文

作者和导师简介