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管壳式换热器的传热研究与结构优化

佘虎君  
【摘要】:换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空及其它许多工业部门广泛使用的一种通用工艺设备,在工业生产中占有重要的地位。管壳式换热器由于结构可靠、技术成熟、适用面广,是目前国内外换热设备的主要结构形式。为了提高整个换热器的综合传热性能,本文对异形管的管程、壳程进行强化传热研究。管板是管壳式换热器中最重要也是最复杂的承压部件件,在换热器正常工作中,管板两侧分别承受不同的压力与温度。因此,管板设计的合理性对整台设备的安全运行显得至关重要。 本课题主要做了以下研究工作:首先,为强化传热,研究了换热器分别采用圆管、波节管、横槽纹管时对换热性能的影响,在设计参数与结构参数相同的条件下,对圆管换热器、波节管换热器和横槽纹管换热器的传热系数、压力损失和努塞尔数进行对比;其次,应用ANSYS有限元分析软件的FLOTRAN CFD分析模块对换热器壳程进行流体动力学分析,研究壳程流体层的分布,讨论了折流板间距与流体物性参数对换热器传热性能的影响;第三,应用ANSYS有限元分析软件对换热器管板进行稳态温度场分析和热应力分析,考虑到结构的复杂性,建立模型时对管板进行了简化,得到管板上温度的分布规律,根据有限元的计算结果,依据JB4732—1995《钢制压力容器一分析设计标准》,对换热器管板进行了应力评定;最后,对换热器管板进行结构优化,削减管板厚度,改进后的管板结构满足强度要求,管板设计安全可靠。 本文的分析计算结果对此类复杂状况换热器的设计优化提供了一定的计算依据。


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