管殼式換熱器的建模、換熱計(jì)算和CFD模擬

.畢設(shè)計(jì)論文）管殼式換熱器的建模、換熱計(jì)算和擬專業(yè)年級2007級工學(xué)號指導(dǎo)教師評閱人

二零一一六月中國.WORD專業(yè).

.任務(wù)書課題課題

名稱：類型：

管殼式換熱器的建模、換熱計(jì)算與模擬畢業(yè)論文任務(wù)書容1文資料的翻譯5個漢字字符以上（要求和熱動、空調(diào)、能源、環(huán)境、新能源等本專業(yè)有關(guān)的容，可以是英文著作、設(shè)備使用手冊、英文文獻(xiàn)檢索、英文專利文獻(xiàn)、網(wǎng)上專題介紹等實(shí)用性的、將來工作中可遇到的相關(guān)題材的文章，最好不要是科普類、教學(xué)類的英文）2用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：2.1.管殼式換熱器，熱交換功率100kW，200kW。2.2.溫度進(jìn)口350~500℃，出口溫度，流速可變；溫度進(jìn)口℃，出口溫度300~450℃，流速可變。其總流阻損失應(yīng)在滿足規(guī)定要求。2.3.熱器材料可選，幾何尺寸可變；工作介質(zhì)可選擇（空氣、水、氟利昂）2.4.熱器外壁面絕熱保溫；2.5.采用CFD模擬計(jì)算與能量分析，對系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)工況的模擬；3計(jì)容：學(xué)習(xí)和消化設(shè)計(jì)任務(wù)書，按照設(shè)計(jì)任務(wù)書的設(shè)計(jì)容，擬定工作容和計(jì)劃定出設(shè)計(jì)和計(jì)算的每個過程中應(yīng)該遵循設(shè)計(jì)要求與規(guī)定。3.2.找和收集有關(guān)管殼式換熱器的歷史和現(xiàn)狀資料，查找相關(guān)管殼式換熱器的運(yùn)用案例，及其相關(guān)的技術(shù)條件和運(yùn)行要求。以科技文獻(xiàn)檢索，包括期刊、專利準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)手冊、產(chǎn)品樣本，尋找和熟悉相關(guān)的分析計(jì)算軟件悉設(shè)計(jì)工具軟件腦等；根據(jù)已知參數(shù)ProE設(shè)計(jì)出符合要求的管殼式換熱器學(xué)習(xí)如何導(dǎo)入相關(guān)軟件進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)計(jì)；進(jìn)行管殼式換熱器格設(shè)計(jì)，用fluent件對管殼式換熱器進(jìn)行變工況運(yùn)行能量分析；3.5.分析計(jì)算換熱器的流阻損失，其結(jié)果的合理性，分析提高換熱效率主要手段和改進(jìn)的方向3.6.輸出的計(jì)算文件包括：3.6.1.整的畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書3.6.2.符要求的算模型的結(jié)構(gòu)、尺寸；3.6.3.換熱計(jì)算的過程、表格，計(jì)算結(jié)果的結(jié)論等等；3.6.4.規(guī)定狀態(tài)的CFD模擬結(jié)果和能量分析圖；3.6.5.業(yè)設(shè)計(jì)論文；3.7.所作的工作、學(xué)習(xí)的體會、方案的選擇過程、計(jì)算方案過程等寫在過程手冊中，寫好畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。準(zhǔn)備畢業(yè)答辯的文稿。任務(wù)書進(jìn)度:1、16~17，分析、熟悉畢業(yè)設(shè)計(jì)題目、查找相關(guān)翻譯資料，對“畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書”進(jìn)行分析計(jì)劃；收集相關(guān)行業(yè)信息；準(zhǔn)備電腦、辦公地點(diǎn)，學(xué)習(xí)相關(guān)軟件；2、18~19周，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，查找技術(shù)資料、確定設(shè)計(jì)方案，對方案進(jìn)行初步設(shè)計(jì)與計(jì)算；3、1~4周，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，結(jié)果分析，編寫相關(guān)計(jì)算、設(shè)計(jì)、計(jì)劃文件；4、5~9周，計(jì)算結(jié)果分析、修改、撰寫畢業(yè)論文；5、10~14周，畢業(yè)論文和設(shè)計(jì)文件的修改，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。參看文獻(xiàn).WORD專業(yè)

.[1]薛殿華主編《空氣調(diào)節(jié)》.清華大學(xué)；1990年.[2]世銘,文詮編著《傳熱學(xué)》第三版高等教育；1998年09月.[3]庭元主編《工程常用物質(zhì)的熱物理性質(zhì)手冊》.新時代出版；1987年9月.[4]朱聘冠主編《換熱器原理及計(jì)算》清華大學(xué)；1987年9月.[5]單寄平主編《空調(diào)負(fù)荷實(shí)用計(jì)算法》中國建筑工業(yè)；1988年.[6]玉琪,徐育標(biāo),呂關(guān)寶主編《新編實(shí)用空調(diào)制冷設(shè)計(jì)、選型、調(diào)試，維修手冊.，電子工業(yè)；1997.[7]《通風(fēng)與空調(diào)工程施工及驗(yàn)收規(guī)）.[8]占忠,王敬,蘭小平主體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用大學(xué)出版社年9月.[9]清潔能源論壇《FLUENTHELP算例精選中文版》.[10]Fluent的學(xué)習(xí)、資料等等評委意.WORD專業(yè)

.

，

2010

05

，專

熱能與動力工程專2007級

.WORD專業(yè)

.管殼式換器的建模、熱計(jì)算與

CFD

模擬摘本文首先給定參數(shù)的立式管殼式換熱器進(jìn)行熱力計(jì)算得到總的傳熱面積為69㎡，總的傳熱系數(shù)為128.2W/(㎡k)，并對計(jì)算的換熱器傳熱系數(shù)和壓力降進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，最終得出設(shè)計(jì)的換熱器的主要參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求手冊—1999管殼式換熱器》對換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，最終得到設(shè)計(jì)換熱器各主要結(jié)構(gòu)的參數(shù)尺寸如表5，并畫出換熱器的裝配圖和零件圖如3-2~3-6最后，使用軟件對換熱器進(jìn)行了多耦合的有限元分析，分別建立了換熱器整體結(jié)構(gòu)和重要部件的三維有限元耦合分析模型及殼程流體的二維有限元分析模型；模型中充分考慮了換熱器的高溫特性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性過流場分析和結(jié)構(gòu)熱分析出了比較完整的換熱器的流場分布和溫度場，并計(jì)算出了相應(yīng)的熱應(yīng)力；換熱器管板總體模型充分考慮了換熱器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及與熱-應(yīng)力耦合分析模型的一致性；通過分析計(jì)算出的數(shù)據(jù)，分別討論了換熱器管程和殼程流體流場對換熱溫度場分布的影響以及溫度載荷與壓力載荷對換熱器整體結(jié)構(gòu)的影響，確定了換熱器最危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)，并根鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行了強(qiáng)度校核，得到最危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)點(diǎn)出現(xiàn)在上管板中心換熱管附近，此處最大應(yīng)變0.0048mm，最大位移為0.22mm。由于此處應(yīng)變和位移都較小，說明設(shè)計(jì)的換熱器符合設(shè)計(jì)要求。關(guān)字

管殼式換熱器，熱應(yīng)力，流固耦合分析件.WORD專業(yè)

.Abstractthisstudythetotalheattransferareais69squaremeterswitchiscalculatedbyaverticalshellandtubeheatexchangerofthegivenparameter,thetotalheattransfercoefficientis128.2W/(m2.K),theheattransfercoefficientoftheheatexchangerandpressuredropwaschecked,finallyitmeetsthedesignrequirementsinthemainheatexchangerdesignparameters.The"shellandtubeheatexchangerdesignhandbook"andthe"GB151-1999shellandtubeheatexchanger"isreferencedtodesignandselectmodel.Finallythesizeparametersofthemainstructureisshownintable5,theassemblydrawingsandpartsofheatexchangerarepicturedinfigure3-2~3-6.Finally,conductingtheMulti-coupledfiniteelementanalysisbyalgorsoftware,theoverallstructureaswellasimportantpartsofthree-dimensionalfiniteelementanalysismodelandshell-coupledtwo-dimensionalfiniteelementanalysisoffluidmodelisestablishedrespectively.Thehightemperaturecharacteristicsstructuralexchangeristakenconsideration,resultedthecompletefieldthroughtheflowfieldanalysisandthermalanalysis,plexitywellstresscoupledanalysismodelconsistencyinvolvedtheoverallheatexchangertubeplate.Discussingtheinfluenceoffluidflowinheatexchangertubesideandshellsideontemperaturedistribution,andtemperatureloadandpressureloadontheoverallstructureofheatexchanger,toobtainthemostdangerousstructure.AndaccordingJB4732-95"SteelPressureVessels-analysisanddesignstandards"toconductstrengthcheck,asthemostdangerousstructureappearsatthecenterofthetubesnearthetubesheet.wherethemaximumstrainis0.0048mm,themaximum.WORD專業(yè)

.displacementis0.22mm.designmeetsdesignstrainanddisplacementaresmallerhere.Keywords:shellandtubeheatexchanger,heatstress,fluid-structureinteractionanalysis,algorsoftware.WORD專業(yè)

1234

.目錄11145688992020212222232626多物理場27282830().().5

40..........................................................................4142.WORD專業(yè)

.第1章

緒論管殼式換熱器是把管子與管板連接，再用殼體固定的一種比較常用換熱器，與其他類型換熱器相比，管殼式換熱器制造容易，生產(chǎn)成本低，選材圍廣泛，清潔方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理量大，且能適應(yīng)高溫環(huán)境工作。在化工、煉油、原子能、建筑、機(jī)械、交通等許多技術(shù)領(lǐng)域中均有廣泛的應(yīng)用。如化工生產(chǎn)中的加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器、再沸器等；又如熱力發(fā)電廠中的空氣預(yù)熱器、蒸汽過熱器、凝汽器和冷水塔等，為了滿足不同生產(chǎn)條件的需要，各工業(yè)部門采用多種多樣的管殼式換熱[1]

。由傳熱學(xué)理論可知道，熱交換是一種復(fù)雜的過程，它是由系統(tǒng)兩部分的溫度差異而引起的，熱量總是自動地從溫度較高的部分傳給溫度較低的部分。傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、對流和輻射，因此在管殼式換熱器中，熱量總是從熱流體傳給冷流體，起加熱作用的熱流體又稱加熱介質(zhì)如水蒸汽、煙道氣、導(dǎo)熱油或其他高溫流體等；起冷卻作用的冷流體又稱冷卻介質(zhì)如空氣、冷凍水、冷凍鹽水[1-2]

。在熱交換過程中冷流體的溫度是因整個流程而不斷變化的熱流體的溫度由于放熱而下降，冷流體的溫度由于吸熱而上升。適應(yīng)于各種換熱條件，管殼式換熱器有多種形式。每種結(jié)構(gòu)形式都有其特點(diǎn)和適用圍，只有熟悉和掌握這些特點(diǎn)，并根據(jù)生產(chǎn)工藝具體情況，才能進(jìn)行合理選型和正確的設(shè)計(jì)，如圖所示為一種常用的管殼式換熱器示意圖。管

[3]第一節(jié)一

管殼式換熱器的類型固定式管殼換熱器的兩端管板采用焊接方式與殼體連接固定，如圖示。這種換熱器的結(jié)構(gòu)簡單緊湊,在相同殼體直徑，排管數(shù)量最多；往往是管板兼法蘭。適用于管、殼程溫.WORD專業(yè)

.差不大或者管、殼程溫差較但壓力不高，殼程介質(zhì)干凈或雖結(jié)但可以通過化學(xué)清洗能清除的場合。由于此類換熱器集中了管殼是換熱器的優(yōu)點(diǎn)，因此在工程上應(yīng)用比較廣泛。固

二浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，浮頭換熱器針對固定管板是換熱器的缺點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，兩端管板只有一端管板與殼體固定，而另一端的管板可以在殼體自由移動，該端稱為浮頭板可以自由浮動不受溫差應(yīng)力的困擾,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,浮頭密封困難鍛件多,造價(jià)高。維修時可只更換管束適用于管、殼程溫差大但工作壓力不超過10MPa工況。三U型管式換熱器的結(jié)構(gòu)如1-4圖所示，每根管子都彎成形，進(jìn)、出口分別安裝在同一管板的兩側(cè)，再將該側(cè)管箱用隔板分成兩室，由于只有一塊管板，管子在受熱或冷卻時，可以自由伸縮。其結(jié)構(gòu)簡單，能耐高溫，耐高壓，但管束不易清洗，拆換管子也不容易。因此要求通過管的流體是潔凈的。這種換熱器殼用于溫差變化很大，高溫或高壓的場合。.WORD專業(yè)

.雙

四填函式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-5所示，其管束可自由伸,殼程和管程都可以拆開清洗結(jié)構(gòu)簡單,適用管、殼程溫差大工況。耐壓、耐溫及密封能力差工作壓力不超過40MPa,不宜處理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)。它有兩種形式，一種是在管板上的每根管子的端部都有單獨(dú)的填料函密封，以保證管子的自由伸縮。當(dāng)換熱器的管子數(shù)目很少時，才采用這種結(jié)構(gòu)，但管距比一般換熱器要大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另一種形式是在列管的一端與外殼作成浮動結(jié)構(gòu)，在浮動處采用整體填料密封，結(jié)構(gòu)較簡單，但此種結(jié)構(gòu)不宜用在直徑大，壓力高的情況?；鍝Q熱管是管殼式換熱器的傳熱元件用高效傳熱元件是改進(jìn)換熱器傳熱性能最直接有效的方法。國已使用的換熱管有以下幾種(1)螺紋管

螺紋管也稱低翅片管用光管軋制而成,適用于管外熱阻為管熱阻以上的單相流及渣油、蠟油等粘度大,蝕易結(jié)垢物料的換熱[4]。(2)Ｔ形翅片管

用于管外沸騰時,可有效降低物料泡核點(diǎn),沸騰給熱系數(shù)提高～3.3倍,是蒸發(fā)器沸器的理想用管5]

面多孔管

該管為光管表面形成1層多孔性金.WORD專業(yè)

.屬敷層,該敷層上密布的小孔能形成很多汽化中心強(qiáng)化沸騰傳熱[5]

螺旋槽紋管

可強(qiáng)化管物流間的傳料在管靠近管壁部分流體順槽旋流,一部分流體呈軸向渦,前種流動有利于減薄邊界層,后一種流動分離邊界層并增強(qiáng)流體擾動傳熱系數(shù)提高～1.7,但阻力降增加1.7～2.5倍[5]

紋管

為擠壓成形的不銹鋼薄壁波紋管,、外都有強(qiáng)化傳熱的作用,但波紋管換熱器承壓能力不高管心距大排管少,殼程短路不易控制3,6]。六(1)雙殼程結(jié)構(gòu)

在換熱器管束中間設(shè)置縱向隔板與殼體壁用密封片阻擋物流形成雙殼程。適用場管程流量大殼程流量小,用此結(jié)構(gòu)流速可提高一,熱系數(shù)提高1.2～1.倍物流溫度交叉時單殼程換熱器需要多臺以上才能實(shí)現(xiàn)傳熱用1臺雙殼程換熱器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳熱,且可得到較大傳熱溫差。(2)螺旋折流板換熱器螺旋折流板可防止死區(qū)和返混壓降較小過這種結(jié)構(gòu)換熱器時溫度存在明顯的徑向變化故不適用于有高熱效率要求的場合。(3)雙管板結(jié)構(gòu)

在普通結(jié)構(gòu)的管板處增加個管成的雙管板結(jié)構(gòu)用于收集泄漏介止兩程介質(zhì)混合。(4)高溫高壓密封結(jié)構(gòu)①金屬環(huán)墊八角墊或橢圓墊。該結(jié)構(gòu)加工簡單密封可靠但對于大直徑、高壓加氫換熱器金屬耗量大、金屬墊難以加工且密封不可靠。此種結(jié)構(gòu)適用于壓力為～9MPa徑小于的工況。②螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)。同鋼墊圈密封結(jié)構(gòu)相比,其優(yōu)點(diǎn)為密封可靠性好,金屬耗量較少工件較多結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)計(jì)計(jì)算繁瑣,造價(jià)昂貴不能準(zhǔn)確排除管殼程間介質(zhì)漏,拆卸檢修比較復(fù)雜。結(jié)構(gòu)見圖。螺[3].WORD專業(yè)

.③密封蓋板封焊型這種結(jié)構(gòu)具有螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)所具備的許多優(yōu)同的是,它的管箱部分密封是靠在蓋板外周上施行密封焊來實(shí)現(xiàn)。④Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)1種新型高壓換熱器密封結(jié)構(gòu)其優(yōu)點(diǎn)是主螺栓預(yù)緊載荷和操作載荷較,減小了設(shè)備法蘭與主螺栓的尺寸和質(zhì);拆卸檢修方便、密封可靠;制造簡單造價(jià)低以及直徑、壓力、溫度適用圍廣。其結(jié)構(gòu)見圖。Ω[3]七各種管殼式換熱器特點(diǎn)如下表所示各類

型

特

點(diǎn)管殼

固定管板式

剛性結(jié)構(gòu)帶膨脹節(jié)

用于管殼溫差較小的情般≤50℃間不能清洗有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力式

列

浮頭式U型管式

管外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合管外均能承受高壓，管清洗及檢修困難換熱

管式

填料函式

外填料函填料函

管間容易泄漏，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì)密封性能差，只能用于壓差較小的場合器.WORD專業(yè)

釜式雙套管式套管式

殼體上部有個蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場合和固定床反應(yīng)器中能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器

螺旋管式

沉浸式噴淋式

.用于管流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱只用于管流體的冷卻或冷凝在同等條件固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)最緊,形管式和浮頭式換熱器相當(dāng)。固定管板式換熱器最經(jīng)濟(jì),浮頭式換熱器較差。在凱和素香的研究中，對換熱器進(jìn)行綜合性能對比換熱器綜合性能見表1,表中緊湊性是換熱器總傳熱面積與其體積的比值該值越大占地面積越小濟(jì)性是指單位傳熱面積的金屬耗量該值越小造價(jià)越低格比指相同工況和材料下的相對價(jià)格比,并以固定管板作為基數(shù)中換熱器采用公稱壓力2.5MPa,6000mm管長作對比[三換熱器類型

緊湊型/

m2

經(jīng)濟(jì)性

m

價(jià)格比400

800

1200

400

8001200固定管板式U型管式浮頭式

473237

554545

604748

445064

324048

313740

1.01.1～1.251.2～1.5從表中可以得出等條件下固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)最緊湊,Ｕ形管式和浮頭式換熱器相當(dāng)。固定管板式換熱器最經(jīng),浮頭式換熱器較差。若工況允,選擇換熱器的次序?yàn)楣潭ü馨迨?、Ｕ形管式、浮頭式。第二節(jié)

管殼式換熱器設(shè)計(jì)概述立式管殼式換熱器的設(shè)計(jì)步驟分以下幾部分：1換熱器的熱力計(jì)算熱力計(jì)算的主要任務(wù)是根據(jù)設(shè)計(jì)初參數(shù)，計(jì)算出換熱器中的傳熱系數(shù)，傳熱量，總傳熱面積等；主要設(shè)計(jì)步驟（1）了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能（2）計(jì)算傳熱量，并確定第二種流體的流量（3）確定流體進(jìn)入的空間（4）計(jì)算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)（5）計(jì)算有效平均溫度差，一般先按逆流計(jì)算，然后再校核（6）選取管徑和管流速（7）計(jì)算傳熱系數(shù)，包括管程和殼程的對流傳熱系數(shù)，由于殼程對流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，一般先假定一個殼程傳熱系數(shù)，以計(jì)算，然后再校核（8初估傳熱面積，考慮安全因素和初估性質(zhì)，常采用實(shí)際傳熱面積為計(jì)算傳熱面積值的1.15~1.25倍.WORD專業(yè)

.（9）選取管長（10）計(jì)算管數(shù)（11）校核管流速，確定管程數(shù)（12）畫出排管圖，確定殼徑和殼程擋板形式及數(shù)量等（13）校核殼程對流傳熱系數(shù)（14）校核平均溫度差（15）校核傳熱面積（16）計(jì)算流體流動阻力。若阻力超過允許值，則需調(diào)整設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)流程圖如圖1-8立式固定式換熱器詳細(xì)設(shè)計(jì)流程圖所示2）換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括管程面積計(jì)算，殼體設(shè)計(jì)，進(jìn)出口接管尺寸設(shè)計(jì)，熱補(bǔ)償，密封面與墊片類型確定，其他結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)開始計(jì)算計(jì)算數(shù)據(jù)

近似數(shù)據(jù)

特點(diǎn)問題殼管幾何結(jié)構(gòu)

管束和折流板幾何機(jī)構(gòu)計(jì)算各種通道面積確定傳熱和壓降因子確定殼程傳熱膜系數(shù)確定管程傳熱膜系數(shù)確定管程壓降

確定殼程壓降確定總傳熱系數(shù)

修正設(shè)計(jì)完成設(shè)計(jì)（a）

(b)不行

不行

（c）

不行固.WORD專業(yè)

第三節(jié)

.管殼式換熱器有限元分析概述隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高以及計(jì)算流體力學(xué)和有限元分析方法的蓬勃發(fā)展，有限元數(shù)字模擬方法已經(jīng)成為在換熱器設(shè)計(jì)和分析過程中縮短設(shè)計(jì)周期和節(jié)約資源的重要手段。采用有限元分析方法各種換熱器的流場、溫度場及壓力場等進(jìn)行研究，能夠詳盡地預(yù)測管束支撐對流場、換熱過程對換熱器的影響及由熱應(yīng)力引起的熱應(yīng)變對換熱器結(jié)構(gòu)的影響，有利于提高換熱器的綜合性能，并設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)秀的、更適合設(shè)計(jì)要求的換熱器。采用有限元分析不僅直觀、靈活、費(fèi)用低、周期短，而且還能夠處理和預(yù)測更復(fù)雜的實(shí)際工作情況。本論文通過建立三維實(shí)體模型對設(shè)計(jì)的換熱器采用簡化模型，并通過使用物理場有限元分析軟件對設(shè)計(jì)的立式固定管板式換熱器的管程、殼程和換熱器重要部件進(jìn)行有限元，包括穩(wěn)態(tài)流場分析、溫度場分析、流固耦合分析等。通過采用有限元分析的方法，采用實(shí)際簡化的換熱器模型對設(shè)計(jì)換熱器在實(shí)際工況下工作進(jìn)行了詳細(xì)分析。第2章

管殼式換熱器熱力計(jì)算第一節(jié)

任務(wù)書要求根據(jù)任務(wù)書知，立式固定管殼式換熱器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：1、換熱器熱交換功率為200KW2、管程介質(zhì)為水，工作壓力為5MPa，進(jìn)出口溫度為℃3、殼程介質(zhì)為空氣，工作壓力為0.8MPa,進(jìn)出口溫度為℃4、工作介質(zhì)和冷卻介質(zhì)的流速應(yīng)在合適的圍，應(yīng)保證總流阻損失滿足規(guī)定圍，并且工質(zhì)在換熱器的壓降應(yīng)在允許圍（）5、每年按300天計(jì)，每天24小時連續(xù)運(yùn)行。.WORD專業(yè)

.第二節(jié)

符號定義3

W

s

管程工作介質(zhì)質(zhì)量流量

i

殼程工作介質(zhì)質(zhì)量流量Tm

管程流體平均溫度

t

殼程流體平均溫度

平均有效傳熱溫差

傳熱系數(shù)

i

管程給熱系數(shù)

a

殼程傳熱膜系數(shù)F

總的傳熱面積

溫度修正系數(shù)t

管壁平均溫度

l

直管沿程阻力引起的壓力降

r

管程回彎壓力降與管束垂直流動的壓力降間隙流動的修正系數(shù)

管箱進(jìn)出口壓降折流板缺口處流動壓力壓力降修正系數(shù)第三節(jié)（1管程工作介質(zhì)水流W：s

熱力計(jì)算過程W

200/c(T-T)4.844(300200)pi

(3-1)（2冷卻空氣流量iWQc()ipiio

3600kJh1.034088

9946.7kg

(3-2)（3流體的平均溫Ttm

m因給熱系數(shù)公式要求，要用流體的算術(shù)平均溫度，分別計(jì)算管程和殼程的平均溫度TT)0.5(300200)250mitt)0.5(150230)mio（4平均溫度下的物性參數(shù)t時，水的物性數(shù)據(jù)：.WORD專業(yè)

p.p粘度

pa.密度

kg/m

3導(dǎo)熱系數(shù)定壓比熱容

/mc4.844/(C)T225C時，空氣的物性數(shù)據(jù)：粘度密度

.s5.558263kg/

3導(dǎo)熱系數(shù)定壓比熱容

0.03852W/(mc1.034088kJ/(kg)（5平均有效溫：m計(jì)算逆流條件下的對數(shù)平均溫差：

m

T)200)(230ii)300200lnioln)150oi

(3-3)（6決定通入空間，選取管徑和管流速：為了保證換熱器的安全使用管間

202.5黃4銅管?？紤]到主要熱阻在管間空氣側(cè)，故管水取較低的流速m/si（7計(jì)算傳熱系k1）管程給熱系：i流動在管管其流動阻力和傳熱膜系數(shù)與流體在管的流動狀態(tài)有關(guān)，流動狀態(tài)以雷諾數(shù)的大小來區(qū)分Re>10000為湍流，Re=2300~10000過渡流dwii

0.0001098

727680.67

(3-4)由

Re10000

所以流體在管的流動為湍流，式（3-5）計(jì)算管程給熱系數(shù)i

c(ii)()i

(3-5)0.023

0.8(

0.4.WORD專業(yè)

pooi.pooi54640.98/C)2）殼程傳熱膜系

o換熱器裝有圓缺形擋板（弓形折流板口面積取25%的體截面積，空氣的流速為1.5m/s：dwii

0.0250.0000264

7895.26

(3-6)由Re=7895.26<10000,所以選用kern法[程傳熱膜系其中假設(shè)流體流過o每根管子中最窄通道的流速為3m/s。duceo)0.55()e

0.14

(3-7)0.36

0.038520.0200565.558263)(0.0200560.00002640.03852

1/3

W/(m

2

3）傳熱系由于工作介質(zhì)都是以蒸汽的形式工作，工作過程中處于相當(dāng)較干凈的環(huán)境，所以假設(shè)水和空氣的絕熱污垢系數(shù)為：r/Wir

C/又管壁導(dǎo)熱系數(shù)查傳熱學(xué)附錄2，取

w

w/m

2

由式計(jì)算換熱器換熱系數(shù)dd1d+rw()+r()()kalddadowmiii

(3-8)

0.0250.0250.0250.000172()0.000344()()139.68954640.980.020

k128.1592Wm

2

CF（8傳熱面積F'

62.68115k128.1592om

2

(3-9)考慮到10%的面積裕度，則所需傳熱面積為：.WORD專業(yè)

.

'

69m

（9排管和管程設(shè)計(jì)取管心t1.28d0.032m，管長lmo1)管數(shù)：N'T

Flo

0.06)

(3-10)2)排管：考慮管空間分兩程，程按正三角錯列排布，程間為矩形排布，具體見換熱器裝配圖。3)實(shí)際排管根數(shù)為199根，另有12根折流板固定桿位置。殼體520mmi排管直D'473mmi接近中心線管排上的管子數(shù)：N根c圓缺區(qū)的管數(shù)

T,w

根其中有2根為折流板固定桿）折流板上的管孔數(shù)根其中有6根為折流板固定桿）B一個錯流區(qū)域流體所經(jīng)過的主要收縮次數(shù)N圓缺區(qū)錯流的有效收縮次數(shù)Nw旁擋數(shù)N0（即不設(shè)旁擋）裝設(shè)切口高度為25%的圓缺形折流板，取板間h則折流板數(shù)為：N

0.15

28.6實(shí)取折流板塊，則靠近兩管板端的間距為其余中間的板間距均為150mm。（10核傳熱系數(shù)1)管程水的給熱系i管程的實(shí)際水速：w

1486.3753600799

m/s'(ii

w實(shí)際w選用

)54640.98（

0.4.306236

48486.49W/(

2

C).WORD專業(yè)

.2)殼程油的給熱系o由式（3-11）計(jì)算殼程的當(dāng)量直d：D2N21990.0252iomDNiTo由式（3-12）計(jì)算流體橫過管束時的通流面F：1F(1/25/0.01477io由式（2-129）計(jì)算折流板切除高H：

(3-11)(3-12)Hsini

2

/0.25Di

(3-13)由此得

2

/由式（3-14）計(jì)算折流板的弦長b：Dsin(i

/m

(3-14)由式（3-15）計(jì)算弓形面F：DD/2HF(i)2i

(3-15)0.5(

0.522

)2.0933

0.52

0.52(0.250.52)220.035377

由式（3-16）計(jì)算橫面積與殼體橫面積之：

0.907(o)2)t

2

(3-16)由式（3-17）計(jì)算圓缺區(qū)的流通面F：

)0.5536)

(3-17)由式（3-18）計(jì)算幾何平均流通面F：mm12

(3-18).WORD專業(yè)

moo.moo單位面積的質(zhì)量流量：W9946.635F0.015272454m651279kg/m2)kg((s)雷諾數(shù)：

(3-19)m

dGo

180.9110.0000264

(3-20)普蘭特準(zhǔn)數(shù)：

p

0.708721(3-21)由式（3-22）計(jì)算殼程給熱系：od(Re)o

13

(

)

0.14(3-22)

0.025

1(171317.1919)0.6(0.708721)

(

0.14)0.14W/()假設(shè)()

所以413.8126376.5695W/(mo3)傳熱系數(shù)：

2

)10.0250.0250.000172()k376.56950.020o0.025()48486.490.0201.69033

0.00043

所以k303.0086347W/(2)o.WORD專業(yè)

AAm.AAm（11核有效平均溫差Tit150oitEoi0.533Tii因?yàn)槭切凸軞な綋Q熱器，溫差校正系應(yīng)查圖2-11-2管殼式換熱器溫度修正系數(shù)圖。查R的點(diǎn)在圖中同一線圖上的溫度修正系數(shù)

0.81所以m

型器系89.6284lm（12壁溫tw因?yàn)槭墙饘俦”?，?/p>

i

故壁溫接近管程水側(cè)的。otr)dmi(3-23)190258(

0.025)48486.49此溫度下，空氣的粘

w

()0.14

)

0.14

(3-24).WORD專業(yè)

lili因此，在計(jì)算殼程給熱系數(shù)時，（13算流體阻力

.)之假設(shè)是相對正確的。1)管程壓力降727680.67f。i

4.3062365.0

626712.9395得管摩擦系數(shù)系由式（3-25）計(jì)算直管沿程阻力引起的壓力：lml()(i)2iw

(3-25)24.30620.00019()(0.0202.526362517.768由式（3-26）計(jì)算管程回彎壓力：r

m)r

i2

(4

7992

(3-26)取管箱進(jìn)出口的流速m/s，由式（）的官箱進(jìn)出口壓：N1.5(

w799)22

2

1348.313.WORD專業(yè)

B.B(3-27)管程壓降式（3-28）:592.59071348.3134458.671PailrN(3-28)2)殼程壓降采用Bell法[3]

計(jì)算：a)與管束垂直流動的壓力：接近中心線管排處的最小錯流截面積按式b（3-29）計(jì)算：FD'N)0.025)mio

(3-29)此處垂直流動的最大質(zhì)量速度為：W9946.653s/(F0.01275B

2

s(3-30)此處的雷諾數(shù)：

dGo

0.025780129.60.264

根據(jù)Re，由圖2-3查得三角形錯列時的殼程摩擦系數(shù)為。s系管束外緣與殼體壁之間的間隙的流通截面積按式（）計(jì)算：F't]CiCo(3-31)[0.48.WORD專業(yè)

3sB.3sBm

此處旁流的修正系數(shù)按式（3-32）計(jì)算：

2N(1)]exp[

0.0070.01275

]0.12414879(3-32)由式（3-33）計(jì)：bb

2b)0.14fB)0.14(3-33)=183.5pa

21.67027225.5582

0.12414879b)通過折流板缺口處流動的壓：w折流板缺口處的通流截面積，按式（）計(jì)算：Fw1i

Tw

4

d0.154(0.52)20.785(0.025)0.023979mo

2(3-34)其k由表4查得。1折流板切除高度H

4詢

k

10.25D

i

0.1540.30D

i

0.1980.35D

i

0.2450.40D

i

0.2930.45D

i

0.343折流板缺口處的流速式（3-35）w

WF0.020395.58263

2.427272/

(3-35)最小錯流截面積上的流速式（3-36）W9946.653wF0.01275B

m/s

(3-36).WORD專業(yè)

0i.0i幾何平均流速式（3-37）w38.810363.069255m/sB由式（3-38）計(jì)：w

(3-37)(2.0N)w

z22

2

(3-38)c)間隙流動的修正系

折流板的管孔（選孔徑和傳熱管外徑之間的間隙的流通截面積（見表4FN

22)163

2

0.025

2

0.006526m

2(3-39)根據(jù)折流取其直D517mm體壁之間的間隙之流通截面B表4F(2))(0.52

2

2

2FF0.0065260.001628根據(jù)EF0.001275

(3-40)6.395133，由圖2-4查得壓力降修正系數(shù)

。力系由式（3-41）計(jì)FFA0.0127FAE.WORD專業(yè)

N.N(3-41)d)殼程壓力降式（3-42）

Nm)(Nbse

(3-42))1)]Pa如取殼程進(jìn)出口管中的流速為4.5m/s話。則殼程進(jìn)出口管中的壓力降為：

5.558263s1.52

2

這樣，殼程全部壓力降為：

714.2712PaN第四節(jié)熱力設(shè)計(jì)評述本設(shè)計(jì)結(jié)果，從壓力降來看，管程約

3

，殼程714.2712都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般容器許用值4

105設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)使用要求，不需重新進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)的立式浮頭式管殼換熱器的參數(shù)見下表。第3章

換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)換熱器的熱力計(jì)算結(jié)果，查《換熱器設(shè)計(jì)手冊》和GB151-1999管殼式換熱器》對換熱器的重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型。最終的換熱器的重要結(jié)構(gòu)的參數(shù)如下表所示。立換熱器型式：立式浮頭式管殼換熱器換熱器面積（㎡工藝參數(shù)名稱物料名稱操作壓力MPa操作溫度℃流量kg/h流體密度kg/m

管程水5300/2001486.3757.99

殼程空氣0.8230/1509946.6535.558263.WORD專業(yè)

.流速，m/s

5

3傳熱量kw總傳熱系數(shù)w/㎡·k

200128.1592對流傳熱系數(shù)w/㎡·k污垢系數(shù)㎡·阻力降Pa程數(shù)使用材料

48486.490.0003444458.6712低碳鋼

376.56950.000172714.27121低碳鋼管子規(guī)格管間距mm

32mm32

管數(shù)199排列方式

管長mm4500正三角形折流擋板型式

上下

間距mm

150

切口高度殼體徑mm項(xiàng)目殼徑D(DN)管程數(shù)Np管數(shù)n中心排管nc管程流通面積

500數(shù)據(jù)520mm21991539.831㎡

保溫層厚度mm項(xiàng)目管尺寸管長l（L）管排列方式管心距傳熱面積

數(shù)據(jù)20X2.5mm4.5m正三角形排列32mm69㎡換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括殼體和管箱壁厚的計(jì)算，管子與管板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，殼體與管板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，管板厚度計(jì)算、折流板、支持板等零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)。第一節(jié)

殼體、管箱厚度計(jì)算和進(jìn)出口結(jié)構(gòu)殼體、管箱箱殼體和封頭共同組成了換熱器的外殼。管殼式換熱器的殼體通常由管材或者板材卷制而成。但直徑<400mm，通常采用管材作為殼體和管箱殼體。當(dāng)直徑400mm時，采用板材卷制為殼體和管箱殼體。其直徑系列應(yīng)與封頭、連接法蘭的系列相匹配，以便于法蘭，封頭的選型。對于一般換熱器殼體的厚度不小于表中規(guī)定的最小厚度值。最D/mm碳鋼，低合金鋼(mm)不銹鋼(mm)

400~50084

600~70085

800~1000106

1100~1500127

1600~2000148由于設(shè)計(jì)換熱器殼體直徑為，材料為碳鋼，因此選擇殼體厚度為8mm在換熱器的殼體和管箱上均設(shè)置進(jìn)出口管口。在殼體和管箱底部設(shè)置排液孔，上都設(shè)置.WORD專業(yè)

.排氣管，在殼側(cè)設(shè)置安全調(diào)節(jié)口、溫度計(jì)、壓力表、液位計(jì)、取樣接管和溢流口。第二節(jié)

管子與管板的連接管子與管板的連接，在管殼式換熱器的設(shè)計(jì)中，是一個比較重要的結(jié)構(gòu)部分。它不僅加工工作量大，而且必須使每一個連接在正常運(yùn)行狀態(tài)中，保證介質(zhì)無泄漏且具有承受介質(zhì)壓力的能力。對于管子和管板的連接結(jié)構(gòu)類型，主要有以下幾種形式接；）焊接脹焊結(jié)合。這幾種類型除本身結(jié)構(gòu)固定的特點(diǎn)外，在加工中，與生產(chǎn)條件，操作技術(shù)都有一定的關(guān)系。但是無論采用何種連接方式，都必須保證連接處能滿足設(shè)計(jì)所需的密封性和具體足夠的抗拉脫強(qiáng)度。本文設(shè)計(jì)中主要采用脹接的形式對換熱管與管板進(jìn)行連接，具體結(jié)構(gòu)如下圖3-1換熱器裝配圖中的局部視圖。由于換熱管外徑為25mm,由表7知換熱管外伸長度長度3mm，開槽深度為；7換長mm換熱管外伸出長li

3+2

16~2530~384+1

45~575+2槽k

不開槽

脹接時，將管端脹成圓錐形，由于翻邊的作用，可使管子與管板結(jié)合的更為牢固，抗拉脫力的能力更高。當(dāng)管束承受壓應(yīng)力時，則可不采用翻邊結(jié)構(gòu)形式。管孔開槽的目的為提高抗拉托力以及增加管程和殼體的密封性。第三節(jié)

折流板結(jié)構(gòu)折流板的設(shè)計(jì)，主要根據(jù)工藝過程及要求來確定，設(shè)置折流板的主要目的為增加殼程流體的流速，提高殼程的傳熱系數(shù)，從而達(dá)到提高總的傳熱系數(shù)的目的。同時，設(shè)置折流板對換熱器具有一定的支持作用，當(dāng)換熱管過長，而管子承受的壓應(yīng)力過大時，在滿足換熱器殼程允許壓降的情況下，增加折流板的數(shù)量，減少折流板的間距，對緩解換熱管的受力情況和防止流體流動誘發(fā)震動有一定的作用。而且，設(shè)置折流板也有利于換熱管的安裝。折流板的類型有弓形折流板盤-圓環(huán)型折流板和矩形折流板常見的為弓形折流板和圓盤—圓環(huán)形折流板。本論文設(shè)計(jì)使用單弓形的折流板結(jié)構(gòu)如下圖所示。圓缺區(qū)切除面積為25%。.WORD專業(yè)

.單第四節(jié)

換熱器裝配圖和主要結(jié)構(gòu)零件圖設(shè)計(jì)換熱器的裝配圖裝配圖和零件如下圖3-2~3-6示.WORD專業(yè)

.立上.WORD專業(yè)

.02折.WORD專業(yè)

.第4章

支換熱器的有限元分析第一節(jié)

換熱器有限元分析的假設(shè)和分析方法由于條件的限制，經(jīng)典的換熱器設(shè)計(jì)理論主要做了以下兩點(diǎn)明顯簡化：第一，將溫度載荷對換熱器的影響簡化為由于管程和課程軸向上的膨脹差而產(chǎn)生的應(yīng)力；第二，把整個管板當(dāng)作被換熱管消弱了的實(shí)心當(dāng)量板，并且沒有考慮管板前后面巨大的溫度差對管板可能的影響[典理論計(jì)算的換熱器的數(shù)學(xué)模型，其分析結(jié)果存在很大的誤差，也有很大局部性。隨做計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析技術(shù)在換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化中越來越顯示出巨大的作用算機(jī)性能能達(dá)到大型模擬的要求可以建立實(shí)際的換熱器的三維模型，可以對設(shè)計(jì)出的換熱器的性能進(jìn)行很好的了解。但這樣的計(jì)算量太大，計(jì)算時間太長，主要是對計(jì)算機(jī)的性能要求太高。因此對于一般設(shè)計(jì)的換熱器，在計(jì)算機(jī)性能不能達(dá)到整體建模有限元分析的情況下，可以對設(shè)計(jì)換熱的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行簡化和采用相似結(jié)構(gòu)的換熱器進(jìn)行分析，對換熱器的重要部件進(jìn)行詳細(xì)的分析（如管板和折流板等結(jié)構(gòu)要結(jié)構(gòu)對設(shè)計(jì)換熱器有限分析的影響。具體到所要分析的設(shè)備，它具有高溫高壓無膨脹節(jié)的突出特點(diǎn)。對這臺換熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性工作，主要困難包括：.WORD專業(yè)

.1).換熱器布局整體上的結(jié)構(gòu)不對稱給模型簡化帶來的困難括幾何上的結(jié)構(gòu)不對稱和尺寸上的巨大差距；高溫下管板和管子的溫度分布情況復(fù)雜，它們之間的熱傳遞關(guān)系不能得到完全的認(rèn)識，只能通過測量得到換熱器金屬管壁的溫度；換熱器殼程工作介質(zhì)的流動情況相當(dāng)復(fù)雜，要完全的透徹的分析比較困難；換熱器殼程的建模比較困難，主要是換熱管折流板之間的流通區(qū)域比較難建模；換熱器整體建模有限元分析計(jì)算量非常大，對于一般的計(jì)算機(jī)性能要求比較高；換熱器局部有限元分析可能存在比較大的分析誤差要由于實(shí)際換熱器工作中的邊界條件比較復(fù)雜不容易設(shè)置和分析。一個換熱器結(jié)構(gòu)的有限元分析模型只有在充分考慮這些因素分析結(jié)果才比較合理可靠，因此在換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)中，由于所設(shè)計(jì)的換熱器沒有采用膨脹節(jié)，溫差引起的應(yīng)力可能是由于換熱器不安全工作的主要決定因素，這在對換熱器的結(jié)構(gòu)分析中至關(guān)重要。所以必須對這部分重要考慮和分析。本課題使用proe建立三維的簡化的實(shí)體模型，運(yùn)用歐特克公司的有限元軟件2011建立了換熱器有限元分析模型。該模型考慮了換熱器的幾何和尺寸上的不對稱性、在高溫下復(fù)雜的溫度場和在換熱材料的物性差異不同的情況下?lián)Q熱器的應(yīng)力和應(yīng)變。第二節(jié)Algor多物理場耦合有限元分析軟件介紹ALGOR是新一代的CAE分析工具，在汽車、電子、航空航天、醫(yī)學(xué)、軍事、電力系統(tǒng)、石化、土木工程、微機(jī)電系統(tǒng)、日用品生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域中均得到了廣泛的應(yīng)用。ALGOR核心代碼起源于1970年開發(fā)的程序，它是由美國加州大學(xué)伯克利分校的K.J.BatheE.L.Wilson和F.E.Peterson人共同研制ALGOR最初在中國出現(xiàn)時被稱為“SUPER”。在1995年司推出了在Windows95環(huán)境下運(yùn)行的版本的ALGOR95ALGORV14版本中，引入了多物理場分析功能，使軟件在綜合分析能力更強(qiáng)大，軟件操作更簡便。主要功能包括幾大類，）靜力學(xué)分析功能2）線性動力學(xué)分析3）非線性動力學(xué)分析4）熱傳導(dǎo)分析功5）流體分析功6）靜電場分析功7）管道設(shè)計(jì)及分析功8）壓力容器設(shè)計(jì)向?qū)V/Designer水下爆炸和沖擊模擬10）疲勞分11）多物理場分析功能。支持多CAD軟件協(xié)調(diào)的前處理和分析如，AlibreDesignerEdge，IronCAD，SolidWorks，UGSolid，CATIA，Inventor，AutoCAD等現(xiàn)在眾多的世界上主流的CAD軟件的復(fù)雜實(shí)體模型?？梢耘c多種有限元分析軟件進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的交換，包括ANSYS(.cdbSDRC，Stereolithography(.stl)Ridge由于algor軟件完全采用window風(fēng)格的圖形化界面程化語言描述涉及有限元概念，這對熟悉window系統(tǒng)的設(shè)計(jì)員、分析人員來說非常容易學(xué)習(xí)和操作，被譽(yù)為“世界上學(xué)習(xí)周期最短的多物理場分析軟件”.WORD專業(yè)

第三節(jié)

.換熱器有限元分析模型的建立換熱器的工藝參數(shù)如表8所示。由于現(xiàn)有的計(jì)算條件的限制，不可能全部采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，并且對于設(shè)計(jì)出來的換熱器進(jìn)行整體建模比較麻煩。因此在既考慮精確度。又保證準(zhǔn)確的同時，本論文采用簡化的模型對換熱器進(jìn)行有限元分析，對于殼程分析采用二維的模型對流場和溫度場進(jìn)行分析；管程有限元分析模型采用簡化的五管結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，重要部件采用實(shí)體的三維模型進(jìn)行精確的有限元分析，如折流板和管板結(jié)構(gòu)等。分析步驟，首先先分別建立獨(dú)立換熱器管程五管帶浮頭換熱器的實(shí)體有限元模型，然后在建立換熱器殼程的有限分析模型。最后綜合考慮在管程模型中的溫度場分布和在殼程的溫度場分布相互作用下對換熱器重要部件的熱應(yīng)變影響。換

第四節(jié)

換熱器模型簡化由于所要分析的換熱器是在高溫高壓下工作的設(shè)備，管程和殼程的設(shè)計(jì)溫度與實(shí)際工作溫度相差都很大，因此，溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力不能按照國家標(biāo)準(zhǔn)中那樣做過多的簡化。在沒有膨脹節(jié)的設(shè)備中有可能溫差產(chǎn)生的應(yīng)力在整個設(shè)備中起了非常重要的作用。國家標(biāo)準(zhǔn)中并沒有計(jì)算換熱器的溫度場，顯得非常粗略，所使用的規(guī)，對于高溫高壓下此種換熱器不推薦使用。在經(jīng)典的換熱器分析中，對換熱器溫度問題的處理大多是做以下兩種方式的簡化：第一，將換熱器存在的溫度場忽略；第二，分別將管程溫度和殼程溫度平均化，然后求管程和殼程之間形成的熱膨脹差引起的應(yīng)力，而將管板厚度方向的熱應(yīng)力忽略掉理雖然使問題得到簡化，但如果用來處理高溫高壓下?lián)Q熱器時，卻與實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)。另一方面，實(shí)際中換熱器液體的流動狀態(tài)十分復(fù)雜，要想得出實(shí)際情況下的溫度場，進(jìn)而求出精確的熱應(yīng)力很困難。因此，在考慮現(xiàn)有條件下，對模型的邊界條件做出適當(dāng)?shù)暮喕?，以能夠滿足工程上計(jì)算精度的要求，是一種可行的途徑。本章充分考慮現(xiàn)有條件下對換熱器做熱分析，通過選擇適當(dāng)?shù)姆治龇椒ǎ贸鰮Q熱器復(fù)雜的溫度場，以作為后面結(jié)構(gòu)分析得有效載荷。這也是熱分析的目的。在計(jì)算出溫度場以后，可以將其作為載荷加入到結(jié)構(gòu)的熱分析中去，通過分析熱應(yīng)力的大小評定溫度對整個換熱器設(shè)備的影響課題在保證分析精確性的前提下，對換熱器的模型做一下簡化。.WORD專業(yè)

.1)在對換熱器的管程進(jìn)行分析時課題采用五管結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析將換熱器的整體尺寸參數(shù)縮小10倍，換熱管軸向方向采個折流板間距的長度（即的度，以便與殼程仿真得到的溫度場結(jié)果進(jìn)行耦合分析邊的浮頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時課題采用了直接分析的方法對浮頭結(jié)構(gòu)換熱器直接建立實(shí)體有限元模型如圖所示。2)對于殼程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時由于殼程的流體區(qū)域相對比較復(fù)雜難于建模和計(jì)算量太大，本課題在對殼體流體進(jìn)行分析時主要采用二維的流體模型進(jìn)行溫度場分析，換熱管方向采用6折流板間距（即1300mm）進(jìn)行分析，殼程流場分析的二維模型圖如圖所示。殼3)對于本課題設(shè)計(jì)的換熱器的重要部件管板（結(jié)構(gòu)如下4-3）進(jìn)行分析時采用真實(shí)的三維模型進(jìn)行分析件設(shè)置時采用殼程分析和管程分析得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)對上管板進(jìn)行分析時對溫度邊界的設(shè)置由于管板的上表面主要與管程流體介質(zhì)接觸溫度主要受管程的影響，因此其溫度為相應(yīng)管程結(jié)構(gòu)點(diǎn)的溫度分布。下表面主要與殼程介質(zhì)相關(guān)，因此其溫度分布主要為殼程相應(yīng)結(jié)構(gòu)點(diǎn)的溫度）.WORD專業(yè)

.4)對于換熱器的管程進(jìn)行分析時程介質(zhì)溫度取殼程的平均溫度為空氣自然對流溫度進(jìn)行殼程模擬。第五節(jié)

換熱器管程模型有限元耦合分析對于換熱器管程模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流體傳熱耦合分析和熱應(yīng)力耦合分析，耦合分析采用間接耦合分析的方法進(jìn)行，即先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場分析，然后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，最后進(jìn)行熱應(yīng)力分析。熱1)

網(wǎng)格劃分和材料定義在對換熱器換熱管的流場進(jìn)行分析時，首先生成換熱管的流體區(qū)域，并對換熱管即換熱管的流體進(jìn)行網(wǎng)格劃分；采用置的強(qiáng)大的封閉區(qū)域自動生成流體區(qū)域的功能生成管程流體的模型，如下圖4-4所示。換.WORD專業(yè)

.為了便于以后的穩(wěn)態(tài)傳熱耦合分析和熱應(yīng)力耦合分析，對換熱器管程模型和管程流體進(jìn)行統(tǒng)一網(wǎng)格劃分，對于整體網(wǎng)格采用四面體實(shí)體網(wǎng)格，對于管程流體區(qū)域由于進(jìn)行流場分析時，為了保證分析的精確性，在網(wǎng)格劃分時要考慮流場區(qū)域的邊界層的存在。對于流暢區(qū)域的網(wǎng)格劃分采用四面體和楔形體（邊界層）網(wǎng)格，在流體邊界上劃分三層邊界層網(wǎng)格。劃分好的網(wǎng)格模型如下圖4-8。換換.WORD專業(yè)

.2)

流邊界條件、載荷和分析設(shè)置在algor軟件中作穩(wěn)態(tài)流場分析只能對流體區(qū)域進(jìn)行分析，因此在分析之前要將換熱器換熱管部件禁用，只激活包含換熱器管的流體區(qū)域的部件。由于強(qiáng)大的智能區(qū)分流體邊界的功能，在沒有施加流體載荷的部分被全部認(rèn)為為固體邊界，所以在設(shè)置邊界條件時，只要對流體介質(zhì)的物性參數(shù)和進(jìn)出口邊界進(jìn)行設(shè)置。由于管流動介質(zhì)為水，采用自帶的材料庫設(shè)置水密度為998.156kg/m動粘度為㎡口邊界條件為沿Z軸方向的穩(wěn)定流速為5m/s，出口邊界設(shè)置為指定出口和入口邊界（即指定為出口邊界類型設(shè)置，考慮重力方向?yàn)檩S負(fù)方向，并且為了對后面的熱應(yīng)力耦合分析進(jìn)行計(jì)算分析將穩(wěn)態(tài)流場分析得到的壓力分布結(jié)果進(jìn)行輸出。為了得到更精確的分析結(jié)果和縮短計(jì)算時間，設(shè)置分析器類型為稀疏矩陣類型。設(shè)置好這些參數(shù)后就可以進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下圖所示。.WORD專業(yè)

.3)

分析結(jié)果分析從上圖分析得到的水的流速圖中可以得出換熱器換熱管的流速增加比較快速，出口浮頭處的流速變化相對平穩(wěn)。分析主要原因?yàn)槿肟诟☆^處得質(zhì)量流量比較大，而換熱管的橫切面積相對浮頭入口較小，所有在換熱管的流速加大；并且導(dǎo)致在入口浮頭處與換熱管相交的地方壓力較大的原因，并且導(dǎo)致出口浮頭局部區(qū)域的壓力比較大。對于出口邊界的中間流速過大，主要由于中間換熱管直接導(dǎo)通所致，在實(shí)際換熱器結(jié)構(gòu)中，由于換熱管的截面面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于浮頭出口截面面積，將不會出現(xiàn)這樣大的波動。熱(一)換熱器管程穩(wěn)態(tài)溫度場分析由于對穩(wěn)態(tài)流體傳熱耦合分析采用間接耦合分析方法，所以在作穩(wěn)態(tài)溫度場分析時應(yīng)該先將上一步穩(wěn)態(tài)流場分析得到的流速分布結(jié)果導(dǎo)入穩(wěn)態(tài)溫度場分析模型中，作為流體溫度變化的速度載荷（主要原因?yàn)樵谲浖袀鬟f溫度梯度、壓力梯度等主要以坐標(biāo)的方式進(jìn)行傳遞[工況的流速計(jì)算于在溫度場分析中要考慮換熱器管程流體與換熱器結(jié)構(gòu)和換熱器殼程流體之間的換熱本分析過程中將換熱器結(jié)構(gòu)部件激活。設(shè)置分析類型的材料參數(shù)如下表。換類型

材料

質(zhì)量密度kg/m

導(dǎo)熱系數(shù)W/(m.℃)

平均比熱.WORD專業(yè)

.J/(kg.K)管程介質(zhì)殼程介質(zhì)換熱管

水蒸氣空氣AISI1010

7.995.55827870

0.61760.0385249.8

4.8441.034088448邊界條件設(shè)置方法：在設(shè)置邊界條件時，考慮到換熱器是暴露在空氣中，沒有保溫裝置，因此將換熱器暴露在空氣中的部分設(shè)置為空氣自然對流，自然對流的溫度20℃；由于殼程介質(zhì)的流速分布和溫度場分布比較復(fù)雜難于計(jì)算，因此將換熱器換熱管外側(cè)的溫度取計(jì)算得到平均溫度200℃，換熱器管程入口浮頭溫度載荷300；穩(wěn)態(tài)傳熱分析設(shè)置：在分析過程中考慮湍流和粘性熱對溫度場分布的影響；求解器類型選擇稀疏求解器；通過計(jì)算得到的換熱器管程的溫度場分布和熱通量分布圖如下圖。穩(wěn)從穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果中可以看出在靠近殼程低溫側(cè)的布管區(qū)沿軸向的溫度梯度變化比較劇烈，換熱管流體入口處的溫度變化梯度最明顯。低溫側(cè)由于沒有保溫材料暴露在空氣中的部分溫度相對較低溫度在61左右。管程出口浮頭受管流體流速沖擊影響出口處浮頭的流速在管程有一定的大的變化如下圖所示。.WORD專業(yè)

.出(二)換熱器熱應(yīng)力耦合分析在溫度場分析模型的基礎(chǔ)上復(fù)制新建一個分析模型，更改分析類型為線性靜力分析類型；熱應(yīng)力耦合分析的主要目的是為了找出在換熱器正常工作狀態(tài)中受熱應(yīng)力引起的換熱器結(jié)構(gòu)變化的最大截面，由于換熱器為立式放置溫度最高的部分在換熱器上部管程流體入口部分，因此分析的時候可以忽略低溫部分的應(yīng)力和應(yīng)變。由于耦合分析的方式采用間接耦合分析，即先進(jìn)行流場分析，再進(jìn)行溫度場分析，最后進(jìn)行熱應(yīng)力分析；因此在進(jìn)行換熱器線性靜力分析時要將穩(wěn)態(tài)流場分析得到的流場的壓力載荷和穩(wěn)態(tài)溫度場分析得到的溫度場分布載荷加載到線性靜力分析中；并且由于線性靜力分析是對換熱器結(jié)構(gòu)的分析，因此在分析過程中將換熱器流體區(qū)域部件禁用；由于不考慮換熱下部結(jié)構(gòu)受熱變形的影響，設(shè)置下部浮頭出口截面為固定約束條件作為換熱器的支撐結(jié)構(gòu)，考慮重力對換熱器結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)置下?lián)Q熱器下部的管板的自由度為向的自由度，分析管板在豎直方向的熱應(yīng)變情況，結(jié)構(gòu)分析時的流體壓力和溫度載荷是前面分析得到的節(jié)點(diǎn)載荷加載到對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的。最終分析得到的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖如下圖4-12所示。.WORD專業(yè)

.從分析結(jié)果中可以看出換熱器結(jié)構(gòu)中應(yīng)力和應(yīng)變最大的部分為換熱器底部已經(jīng)達(dá)到了非塑性變形，主要原因?yàn)橄虏吭诔惺軠囟容d荷和流體壓力的同時還要承受換熱器自身的重力影響；溫度載荷對上管板產(chǎn)生了很大熱應(yīng)力和應(yīng)變，應(yīng)力最大處發(fā)生在中間換熱管與管板的交接處，此處最大應(yīng)力46.2MPa應(yīng)變0.0002mm左右。由于中間空氣流量較小，中間換熱管受溫度載荷引起的應(yīng)力和應(yīng)變都高于外面的四根管子。在換熱管軸向的應(yīng)力應(yīng)變梯度除了與管板相接觸的部分外基本沒有變化。由此可以知道換熱器在穩(wěn)定工作時受流體溫度影響最大的部件為管板。三熱器重要部件有限元分析從上面的分析結(jié)果中可以看出換熱器溫度工作狀態(tài)下?lián)Q熱器受溫度載荷影響熱應(yīng)力變化最大的部件為上管板；同時由于殼程的流體的流場分布和溫度場分布很復(fù)雜，將對折流板上溫度場的分布產(chǎn)生很大的影響。所以在分析換熱器重要部件在穩(wěn)定狀態(tài)工作時的結(jié)構(gòu)變化分析時，也應(yīng)該考慮折流板在高溫流體作用下的熱應(yīng)變。有限元分析方法，由于換熱器殼程溫度分布相對比較復(fù)雜，在對換熱器管板和折流板進(jìn)行分析時，取換熱器殼程流體的平均工作溫度199，由于管板和折流板上管孔較多，施加溫度載荷較復(fù)雜，因此在施加管側(cè)溫度載荷時使用面載荷，管側(cè)溫度根據(jù)上面換熱器管程有限分析得到的相應(yīng)結(jié)構(gòu)點(diǎn)上的溫度作為管板和折流板面上的溫度別取上管板管側(cè)和下管板管程溫度為℃和200℃?zhèn)葴囟葹椤婧汀?；管板結(jié)構(gòu)約束為20螺孔、Y、Z個自由度固定約束。分析的結(jié)果如下圖4-13、4-14所示。.WORD專業(yè)

.上下從上管板和下管板的分析結(jié)果中，可以看出出現(xiàn)應(yīng)力和應(yīng)變最大的部分發(fā)生在固定管板的螺孔部分和中間換熱管部分，最大的位移變化發(fā)生在管板中部的換熱管孔區(qū)域；其中上管板的最大應(yīng)力為769.4MPa,最大應(yīng)變?yōu)?.0048mm,最大位移為0.22mm;管板的最大應(yīng)力為501.9MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.0032mm,大位移為0.23mm;由于管板上換熱管的連接方式為脹接，因此在設(shè)計(jì)中間管板的管孔是可以適當(dāng)大一些，以滿足管板部件在高溫工作時由于熱應(yīng)力引.WORD專業(yè)

.起的管板中間換熱管孔位移變形。從上面的分析中可以得出在穩(wěn)定工作狀態(tài)時，管板材料為AISI1010,冷軋鋼受熱載荷的影響時其應(yīng)變很小滿足工作要求。不需要在對換熱器材料進(jìn)行重新選擇。四熱器殼程流體換熱耦合分析由于管程流體流場分布受換熱管的影響三維流場分布比較復(fù)雜，因此本課題在在不知道換熱器管程流體分布情況的情況下對換熱器管程流體進(jìn)行簡化分析；分析在沒有換熱管作用下?lián)Q熱器管程流場分布和壓力分布。邊界條件設(shè)置：由于軟件自動流體邊界生成可以很方便的生成流體邊界因此采用中的默認(rèn)設(shè)置；載荷設(shè)置為：設(shè)置進(jìn)口速度載荷為3m/s，進(jìn)口溫度載荷為150，折流板載荷根據(jù)管程分析得到的溫度場分布載荷添加相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的溫度；設(shè)置殼外設(shè)置溫保溫絕熱邊界條件，入口管板（上管板）溫度為300℃，出口管板（下管板）溫度為150℃如下圖4-15,、4-16所示。殼殼從上面的分析結(jié)果中可以看出，在沒有換熱管影響的殼程流體的擾動性不太大，流速最.WORD專業(yè)

.大的節(jié)點(diǎn)基本在同一流線區(qū)域流速4.96m/s;殼程壓力分布隨流速方向逐漸減小，最大節(jié)點(diǎn)壓力達(dá)到3.77KPa在殼程溫度場分布中，由于流體入口處受高溫管程流體影響入口處的溫度梯度較大；由于折流板比較薄在厚度方向的溫度梯度可以忽略基本相同。熱本論文通過應(yīng)用alg