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管壳式换热器的传热研究与结构优化

作 者: 佘虎君
导 师: 王世杰
学 校: 沈阳工业大学
专 业: 机械设计及理论
关键词: 管壳式换热器 强化传热 管板 温度场分析
分类号: TQ051.5
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-17
  1.1 换热器功能  10
  1.2 换热器分类  10-11
  1.3 换热器设计理论方法的研究现状  11-13
    1.3.1 研究现状  11-12
    1.3.2 换热器先进设计方法的发展动向  12-13
  1.4 有限元方法概述  13-14
  1.5 课题主要研究内容与目标  14-15
  1.6 课题研究的意义  15-17
第二章 管壳式换热器的结构与主要参数  17-20
  2.1 管壳式换热器的结构  17-18
  2.2 换热器的结构参数及主要工艺参数  18-20
第三章 管壳式换热器传热分析  20-43
  3.1 评价换热器性能的基本方法  20
  3.2 管壳式换热器强化传热理论分析  20-24
    3.2.1 强化传热方法  21-22
    3.2.2 传热过程理论分析  22
    3.2.3 微分衡算方程  22-23
    3.2.4 描述流体流动的两种方法  23-24
  3.3 管程强化传热过程及影响因素  24-28
    3.3.1 波节管  25
    3.3.2 波节管换热器特点  25-26
    3.3.3 异形管对管内强化传热影响  26-28
  3.4 壳程强化传热过程及影响因素  28-32
    3.4.1 新型折流板类型  28-30
    3.4.2 折流板间距对努塞尔数的影响  30-32
  3.5 换热器壳程流体动力学分析  32-43
    3.5.1 计算流体动力学的特点  32
    3.5.2 流体流动和传热控制方程  32-33
    3.5.3 边界层的形成与发展  33-34
    3.5.4 对流传热过程分析  34-36
    3.5.5 换热器壳程流体传热系数  36-37
    3.5.6 换热器壳程流体动力学分析结果  37-43
第四章 管板稳态热分析和热应力计算  43-60
  4.1 热分析的基础理论  43-46
    4.1.1 热分析概述  43
    4.1.2 热传导基本方程  43-46
  4.2 管板稳态温度场分析  46-50
    4.2.1 单元类型的选择  46-47
    4.2.2 有限元模型的建立  47-48
    4.2.3 管板稳态温度场分析  48-50
  4.3 换热器管板的热应力分析及强度校核  50-57
    4.3.1 换热器的耦合场分析  51-52
    4.3.2 强度分析依据  52-53
    4.3.3 受力模型和边界条件  53
    4.3.4 管板应力分析及结果讨论  53-57
  4.4 管板厚度削减效果分析  57-60
第五章 结论  60-62
  5.1 结论  60-61
  5.2 展望  61-62
参考文献  62-64
在学研究成果  64-65
致谢  65

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 一般性问题 > 化工机械与仪器、设备 > 化工过程用机械与设备 > 加热、冷却机械
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