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氢气回收冷凝器的强度分析和沸腾传热的研究

曲晓锐  
【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;而对于筒体,其主要应力强度由机械载荷产生,热应力的影响很小,只对筒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。


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