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蜂窝紧凑结构螺旋板换热器

宋虎堂  
【摘要】: 作者开发出了一种可用于高压介质、结构紧凑、金属消耗量低、传热高效的蜂窝结构螺旋板紧凑换热器,本文对这种换热器的结构特点、设计方法、制造工艺、传热及阻力性能和结构强度等进行了全面的分析研究,其主要研究工作和得出的结论如下: (1)本文提出并发明了一种蜂窝紧凑螺旋板换热器,它综合板式、板翅式和螺旋板式三种换热器的优点,掘弃其缺点,通过它们的结构集成及优化而成,它的总体宏观结构采用螺旋板换热器的结构型式,但其用于换热面的螺旋板改用与板式换热器传热板相似的具有压槽(坑)的1mm厚的薄不锈钢板,且层间间隙正好等于压槽深度,因而相邻薄板通过压槽相互接触紧紧压卷在一起,构成一种宏观上看起来是个螺旋板换热器,而从传热面的局部看是一个蜂窝紧凑结构,既像板式又像板翅式的紧凑式换热器;通过首台蜂窝螺旋板换热器的设计制造研究,提出了这类新型换热器设计制造的关键技术。 这种换热器的特点及优点为:①它外部采用圆筒体耐压结构,内部蜂窝单元将一个个大直径的圆筒压力容器化解为一个个蜂窝状的许多小单元压力容器,这种小单元蜂窝,卷紧后紧密接触,承压能力和刚度要比整块筒壳大许多,既耐高压又抗失稳。②它内部密密麻麻的蜂窝孔均布于换热器的内部,既增大了换热器的传热面积又使传热介质充分接触换热,流体流经窝槽,产生碰撞,形成扰流,改变了流动状态,且没有流向急转弯和传热的“死角”,实现两流体全逆流对流换热;流速大,阻力小,传热效率高。③在相同换热面积下,占空间更小,紧凑度更高,可选用薄板制造,节省材料,重量轻;与板翅式相比,蜂窝之间不需要焊接;蜂窝板冲制可实现自动化,成本低,制造简单,可实现大型化和微型化。 (2)本文提出了采用流体力学计算软件估算蜂窝螺旋板换热器传热和流体阻力的方法,解决了这种换热器的传热设计计算问题。鉴于这种换热器流体流道结构的周期性,流体的流动和传热在几个周期后必然进入充分发展的稳态阶段,从而提出了采用Fluent软件周期流计算功能完成这种新型换热器的传热计算。两种试验都证明了这种方法是可行的,为这种换热器传热面设计计算提供了有力的手段。这种手段也为比较和评价不同蜂窝结构参数优劣及优化蜂窝结构参数提供了有效途径。 (3)通过对蜂窝螺旋板结构强度研究,把一个受力结构十分复杂的蜂窝螺旋板简化为可进行力学分析的物理模型,从而提出了两套蜂窝螺旋板结构强度设计计算方法。一套为极为保守的平板理论给出的工程算法;另一套为较先进的、精确的极限载荷设计法,它考虑了螺旋板蜂窝的具体形状和结构。两种方法互为补充,根据具体需要选用。 (4)本文对蜂窝板结构破坏的机理进行了研究分析,理清了圆柱台型、圆碟型、长条型三种螺旋蜂窝板结构的破坏形态,破坏部位均发生在板与凹坑的连接过渡区域。结构受力情况为高压介质侧对凹坑作用是内压时的上板偏于危险,因而仅需对此板进行极限载荷分析就能保证所有蜂窝板的安全;结构的极限载荷PL与板厚的平方近似成线性关系,这与ASMEⅧ-1附录17的结论相吻合;这种螺旋蜂窝板结构强度好,一般使用场合,只要蜂窝间间距不大,选用0.8-1.011m厚的薄板足可满足强度要求。


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