新型异径布管夹持结构换热器的研究与开发

论文摘要

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

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 换热设备与管壳式换热器研究进展
• 1.2.1 典型工业换热器种类
• 1.2.2 管壳式换热器发展趋势
• 1.3 管壳式换热器壳程强化传热技术进展
• 1.3.1 横向流管束支承形式
• 1.3.2 螺旋流管束支承形式
• 1.3.3 纵向流管束支承形式
• 1.4 换热器研究技术发展
• 1.5 换热器管板强度分析研究进展
• 1.5.1 管壳式换热器“管板设计规定”发展
• 1.5.2 管板强度分析方法
• 1.6 等效弹性常数估算方法
• 1.7 管壳式换热器流体诱导振动及其防止
• 1.8 论文主要研究内容
• 1.9 论文的研究路线
• 2 异径布管夹持结构换热器流体流动及传热强化分析
• 2.1 引言
• 2.2 异径布管夹持结构换热器介绍
• 2.3 新型换热器管程传热分析
• 2.4 新型换热器壳侧流动与传热性能对比分析
• 2.4.1 数学模型
• 2.4.2 物理模型
• 2.4.3 异径布管夹持结构壳程流动的单元流道模型
• 2.4.4 不同结构传热系数及综合性能对比
• 2.5 新型换热器壳侧流场、温度场的研究
• 2.6 新型换热器壳侧场协同分析
• 2.6.1 对流换热场协同理论简介
• 2.6.2 新型换热器壳侧场协同分析
• 2.7 小结
• 3 基于参数变化的换热器综合性能影响研究
• 3.1 引言
• 3.2 新型换热器结构参数变化对流动和传热性能的影响
• 3.2.1 换热器结构参数
• 3.2.2 异径布管夹持结构换热器壳程传热与压降数值模拟
• 3.2.3 数值模拟结果分析
• 3.3 数值模拟回归传热和流动阻力的准数关系式
• 3.4 小结
• 4 换热器流动与传热性能对比实验
• 4.1 引言
• 4.2 实验方案及原理
• 4.2.1 相似理论及其在实验的应用
• 4.2.2 实验目的
• 4.2.3 实验原理
• 4.3 实验装置与仪器
• 4.3.1 实验流程及方法
• 4.3.2 实验设备及仪器
• 4.3.3 仪器的校正和标定
• 4.4 实验数据处理与结果分析
• 4.4.1 实验测量及数据处理
• 4.4.2 实验结果分析
• 4.5 实验对数值模拟的验证
• 4.5.1 数值模拟与实验结果分析
• 4.5.2 误差分析
• 4.6 小结
• 5 换热器抗振性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 异径布管夹持结构换热器抗振性能分析
• 5.2.1 夹持式结构换热器壳程流体流动形式
• 5.2.2 不同支承结构固有频率的对比
• 5.2.2.1 换热管固有频率计算方法
• 5.2.2.2 换热器支承间距
• 5.2.3 支承处接触“面”大小对固有频率的影响
• 5.2.4 折流栅刚性作用对管束固有频率的影响
• 5.3 新型换热器壳侧流体激振力分析
• 5.3.1 换热器流体诱导振动理论
• 5.3.2 扰流流场涡频计算方法
• 5.3.2.1 横向冲刷单根圆柱涡频的计算
• 5.3.2.2 夹持结构流场涡频的数值模拟
• 5.3.3 异径布管夹持结构管束St数与结构参数（p/t）的函数关系
• 5.4 横、纵向流体激振力的对比
• 5.4.1 横向流激振力
• 5.4.2 纵向流激振力
• 5.4.3 参数变化对流体激振力的影响
• 5.5 小结
• 6 非标准管板等效弹性常数计算方法
• 6.1 引言
• 6.2 等效弹性常数理论分析
• 6.2.1 圆平板挠度方程
• 6.2.2 具有各向异性特征的等效弹性常数估算
• 6.3 数值模拟的提出及实验验证
• 6.4 数值计算方法及验证
• 6.4.1 模型的建立
• 6.4.2 计算方法
• 6.4.3 正方形布管管板等效弹性常数数值计算结果
• 6.5 异径布管等效弹性常数数值计算
• 6.6 小结
• 7 异径布管管板强度分析
• 7.1 引言
• 7.2 异径管板布管方式
• 7.3 非标准异径管板的强度计算
• 7.4 算例
• 7.5 小结
• 8. 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 附录A 两种布管方式换热面积对比
• 附录B 异径布管大小管配合系列
• 附录C 夹持式结构当量直径及雷诺数的计算
• 附录D 异径布管夹持结构单元流道传热与压降数值模拟结果
• 在读期间发表的论文及专利申报
• 致谢