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纵流壳程换热器H型结构CAE分析及其二次开发

徐广辉  
【摘要】:管壳式换热器是炼油、化工、动力、冶金、轻工、环保等行业中应用最广泛的热交换设备。其中,折流板式换热器以其较高的可靠性和较好的实用性被广泛采用。其壳程主要结构为折流板,其作用是迫使壳程内的流体为横向流动,从而造成了折流板式换热器的传热死区较大、传热效率低、流体阻力大、抗振性能差等缺点,因此能源浪费较为严重。为了克服这些不足,近几十年来,世界各国都在积极研究开发新型管壳式换热器。新型高效纵流壳程换热器就是关注的热点课题。它采用折流栅替代了原来的折流板实现支撑换热管。同时将折流栅支承结构、变截面导流筒和夹套三个元件有机地结合在一起,发挥了各自的优势,这样既强化了壳程传热系数,降低了能耗,又延长了设备使用寿命。 结构改进后的新型换热器综合优势突出,它具有结构合理,耗材少,节能效果明显等优点。然而由于新结构的特点,使得结构各部件的温度变化也更趋复杂化,由此形成的温差应力分析则成为换热器强度设计中的关键问题。特别是近年来为了提高效能比,现代工业普遍向着高参数方向发展,换热器整个使用寿命周期中都在承受更高的温度、压力和介质腐蚀的多重耦合作用。因换热器强度问题而诱发的破坏事故屡见不鲜。如何在设计阶段既确保设备使用安全,同时又节约材料和能源,是一个具有挑战性的课题。 新型换热器与常见的管壳式换热器在结构上有明显差别。目前该新型换热器H型结构部分设计仅仅采用了经验方法,没有相应的标准和手册。而工程中换热器使用安全问题又是非常重要的问题。因此需要一个科学的设计方法来进行强度设计、校核。本文借助于弹性力学理论和有限单元法,对新型换热器整体结构的应力场和温度场进行了详实的分析,对关键部件环板的结构设计给出了指导性建议,提出了可供工程设计使用的计算公式,为新型换热器设计提供了科学依据。 由于纵流壳程换热器结构非常复杂,若全部采用交互方式来建模分析,工作量将会非常大,且容易引起人为错误。本文在商用有限元分析软件ANSYS平台基础上进行了二次开发,实现了参数化模型自动生成和自动求解分析,大大减小了由于建模、加载所需花费的时间,缩短了分析周期,减少了人为错误,具有重要的应用价值。 利用本文所开发的程序,考虑到几何参数的系列变化,完成了48个模型,


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