新型异径布管夹持结构换热器的研究与开发

【摘要】：换热设备是石油化工、热电、核电、冶金、环保等许多行业广泛使用的过程设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40％左右。随着工业的高速发展、能源的日趋紧张、装置的大型化，新型高效节能换热设备的研究倍受重视。本文提出一种新型异径布管夹持结构换热器，该换热器具有传热效率高、流体阻力小、抗振效果显著、使用寿命长等特点。 论文主要研究工作如下： 1．首次提出异径布管央持结构换热器。考虑换热器异径布管方式，该结构比相同体积下传统换热器传热面积增加30％左右。 2．首次提出“五管单元流道”模型，对异径布管夹持结构换热器壳侧单相湍流流动进行了流场、温度场耦合的三维数值模拟。通过实验比对，确认该模型的数值模拟方法能够准确反应壳侧流动和传热变化规律。研究了新型换热器结构参数的变化对传热和流动的影响，得到该换热器壳侧传热和流动阻力的无因次准数关系式。为进一步优化新型换热设备提供了理论基础。 3．发展了场协同理论在复杂结构中的应用。编制自定义程序提取了壳侧平均场协同角的直观图。通过数值模拟的方法分析了速度矢量、温度梯度矢量及二者间夹角对流体换热能力的作用，首次推导出夹持结构壳程场协同角的计算公式，通过分析，得到该结构具有较好的场协同效果。 4．从综合传热方面考虑，提出折流栅的合理间距。与折流板相比，固有频率得以很大提高，具有较强的抗振能力，起到延寿的作用。 5．本文对于换热器的流体诱导振动机理作了分析。本文首次通过动态模拟计算出不同结构参数及流速下漩涡脱落频率，得到具有工程应用价值的St—Re及St—p/t图，并用以计算出该结构工况下的频率特征。提取了纵向流对换热管产生的作用力，为结构改进提供科学依据。 6．管板强度计算中对非正三角形和非正方形开孔的管板等效弹性常数的求解在国内外尚未深入研究。本文首次推导出异径开孔管板等效弹性常数的解析解。并且利用等挠度变形规则，提出求取等效弹性常数的数值方法，通过对比ASME提供的等效弹性常数曲线图，验证了数值方法的准确性。并在大量ANSYS数值模拟计算基础上，回归出异径布管管板的等效弹性常数曲线图。该图是对ASME在计算管板过程中的有益补