氢气回收冷凝器的强度分析和沸腾传热的研究

摘要

换热器作为能量传递的重要设备，广泛应用于炼油、化工、核能、制药、轻工等工业部门。但随着工业的发展，换热器逐渐向大型化、高参数化趋势发展，现有的常规设计标准已不能满足此类换热器的一些特殊设计需求。本论文采用分析设计方法，利用有限元分析软件ANSYS对某大型斜锥壳式氢气回收冷凝器进行了强度分析。此外该换热器壳程为沸腾传热，沸腾传热形成的两相流流动比单相流流动复杂的多，本论文利用CFD软件Fluent进行了沸腾模拟。主要研究内容如下:
　　 (1)应用ANSYS中的壳单元和实体单元建立了冷凝器有限元模型，采用MPC技术对两种单元进行连接，并对一换热器的全实体单元模型和采用MPC技术连接的壳-实体混合单元模型进行了对比分析。结果发现采用MPC技术对管壳式换热器进行整体模拟分析，既相对简单，又有足够的精度。
　　 (2)对冷凝器的开车、停车、正常工作和水压试验等七种危险工况进行了强度分析。结果表明:对于管板上的应力强度，热应力占主要部分，机械载荷引起的应力强度很小;而对于简体，其主要应力强度由机械载荷产生，热应力的影响很小，只对简体与管板的连接部位影响较为突出。
　　 (3)对沸腾机理进行了总结，阐述了沸腾过程中气泡参量的经验和半经验公式，以及沸腾引起的两相流计算模型。利用Fluent中Euler模型下的沸腾模型，对单根管子外围壳程流体的沸腾传热进行了数值模拟，分析了体积含气率沿管子轴线方向的变化规律，以及不同的热流密度、进口速度和进口温度对体积含气率和传热系数的影响。分析表明:体积含气率沿管子轴线方向逐渐增大，并随热流密度和进口温度增大而增大，随入口速度的增大而减小。同时可知:增加热流密度、进口流速和进口温度均有利于提高传热系数。

目录

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摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究的意义

1．2 前人的研究

1．2．1 分析设计

1．2．2 有限元法在换热器中的应用

1．2．3 沸腾传热及两相流

1．3 主要研究内容

第二章 ANSYS有限元分析及MPC技术

2．1 ANSYS有限元分析软件

2．2 有限元模型单元的选择

2．3 MPC技术

2．3．1 MPC技术原理

3．3．2 MPC精度研究

2．4 本章小结

第三章 氢气回收冷凝器的强度分析

3．1 冷凝器主要结构参数

3．2 冷凝器设计参数及材料属性

3．3 有限元模型的建立

3．4 分析工况及载荷与边界条件的施加

3．4．1 压力载荷

3．4．2 温度载荷

3．4．3 边界条件

3．4．4 分析工况

3．5 有限元分析结果

3．5．1 强度校核依据

3．5．2 校核结果

3．6 结果分析

3．7 本章小结

第四章 沸腾传热及两相流

4．1 沸腾传热类型

4．2 过冷沸腾模型

4．2．1 壁面热流密度

4．2．2 气泡参数

4．3 气液两相流

4．3．1 两相流流型

4．3．2 两相流计算模型

4．4 Euler模型

4．4．1 控制方程

4．4．2 湍流模型

4．5 相间传输模型

4．5．1 相间动量传递

4．5．2 相间能量传递

4．5．3 相间质量传递

4．6 本章小结

第五章 换热器沸腾传热数值模拟及结果分析

5．1 计算模型

5．2 选择的模型及物性参数

5．3 边界条件求解设置

5．4 结果分析

5．4．1 沿轴线方向含气率变化的特性分析

5．4．2 不同热流密度对比分析

5．4．3 不同入口速度对比分析

5．4．3 不同入口温度对比分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 对后续研究的展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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