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新型鼓泡板换热性能及强度分析

作　者: 刘建勇
导　师: 姜立春；李静
学　校: 华南理工大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 鼓泡板换热性能阻力特性几何参数应力分析
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

板式换热器广泛应用于石油、化工、机械、电力、冶金、轻纺以及城镇供热等领域,其性能的稳定直接关系到板式换热器能否安全运行。如何改善板式换热器通道的换热性能,降低阻力损失,提高换热板片的承压能力,减少换热器事故率成为近年来板式换热器的研究热点之一。为了提高板式换热器的安全性、高效性,提出了新型鼓泡换热板,采用实验和数值模拟方法研究了一组结构参数的鼓泡板换热性能,采用Fluent软件进一步研究了不同结构参数对鼓泡板换热性能的影响,用有限元分析方法对鼓泡板进行了应力评定。研究成果可运用于工程实际,这对于开发新型板式换热器,提高板式换热器的安全性具有重要意义,提高板式换热器的承压能力,保证其换热性能,有利于本质安全的落实。主要研究成果如下:(1)将实验值和三种湍流模型的模拟值比较,得出RNG k-ε湍流模型的模拟结果与实验值最接近,RNG k-ε模型对鼓泡通道适用,验证了模拟结果的正确性。(2)数值研究发现,鼓泡内部产生的两个漩涡,宽度方向上相邻鼓泡之间产生的两个漩涡,是鼓泡板强化换热的机理所在,因此,改变通道结构使通道中形成较多的漩涡,是发展高效板式换热器的重要方向。(3)数值研究发现,H=15mm、G=5mm时,V在15mm~30mm范围内,阻力特性因子f随V增大而减小,Re越大f变化越明显,V=20mm时,鼓泡通道换能因子j最大。V=15mm、G=5mm时,H在15mm~30mm范围内,阻力特性因子f随H增大而减小,Re越大f变化越明显,H为20mm时,鼓泡通道换能因子j最大;H=15mm、V=15mm时,G在2.5mm~10mm范围内,换能因子j随G增大逐渐减小,G=7.5mm时阻力特性因子f最小。因此工程设计中应合理选取几何结构尺寸,以满足换热及阻力要求。(4)有限元分析发现,鼓泡板上应力周期性分布,应力集中产生在鼓泡与板的过渡部位以及鼓泡顶部与基板接触的部位;H=15mm、V=15mm、G=5mm、δ=1mm的鼓泡板可承受3.5MPa压力。因此工程设计中,可根据实际工况选取适用的板结构。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-20
  1.1 研究背景及意义  11-13
    1.1.1 研究背景  11-12
    1.1.2 研究意义  12-13
  1.2 研究进展  13-17
    1.2.1 换热板片换热性能的研究进展  13-15
    1.2.2 换热板片应力分析的研究进展  15-17
    1.2.3 结构改进方面的研究进展  17
  1.3 研究内容及方法  17-20
第二章换热性能实验研究  20-28
  2.1 热平衡理论基础  20
  2.2 参数定义及数据分析方法  20-22
  2.3 鼓泡板简介  22-25
    2.3.1 鼓泡板片结构及尺寸  22-23
    2.3.2 小型鼓泡板换热器制作  23-25
  2.4 换热性能实验  25-27
    2.4.1 实验装置及仪器  25
    2.4.2 试验系统  25-26
    2.4.3 试验步骤  26
    2.4.4 试验数据  26-27
  2.5 实验结果  27
  2.6 小结  27-28
第三章数值模拟方法研究  28-36
  3.1 湍流模型  28-30
  3.2 控制方程  30-32
  3.3 几何模型及边界处理  32
  3.4 计算结果及分析  32-35
  3.5 小结  35-36
第四章鼓泡板通道换热性能分析  36-45
  4.1 计算模型及网格  36-38
  4.2 边界设定及数值方法  38-39
  4.3 结果及分析  39-44
    4.3.1 鼓泡通道内产生的漩涡情况  39-41
    4.3.2 通道内流动特性的比较  41-42
    4.3.3 通道内换热特性的分析  42-43
    4.3.4 与其它换热板的比较  43-44
  4.4 小结  44-45
第五章不同参数对鼓泡板换热性能的影响  45-69
  5.1 鼓泡纵向间距对换热性能的影响  45-52
    5.1.1 不同鼓泡纵向间距时温度场分布  46-47
    5.1.2 不同鼓泡纵向间距时速度场分布  47-50
    5.1.3 不同鼓泡纵向间距时压力分布  50-51
    5.1.4 不同鼓泡纵向间距的鼓泡通道换热参数比较  51-52
  5.2 鼓泡横向间距对换热性能的影响  52-60
    5.2.1 不同鼓泡横向间距时温度场分布  53-54
    5.2.2 不同鼓泡横向间距时速度场分布  54-57
    5.2.3 不同鼓泡横向间距时压力场分布  57-58
    5.2.4 不同鼓泡横向间距的鼓泡通道换热参数比较  58-60
  5.3 鼓泡高度对换热性能的影响  60-67
    5.3.1 不同鼓泡高度时温度场分布  60-62
    5.3.2 不同鼓泡高度时速度场分布  62-64
    5.3.3 不同鼓泡高度时压力场分布  64-66
    5.3.4 不同鼓泡高度的鼓泡通道换热参数比较  66-67
  5.4 小结  67-69
第六章鼓泡板应力评定  69-82
  6.1 ANSYS Workbench软件介绍  69
  6.2 评定方法及评定准则  69-71
    6.2.1 应力评定方法  69-70
    6.2.2 应力评定准则  70-71
  6.3 物理问题描述及结构尺寸  71-72
  6.4 结构分析及力学模型  72-77
    6.4.1 设计参数  72-73
    6.4.2 模型的初步简化  73
    6.4.3 网格划分  73-74
    6.4.4 边界条件  74-76
    6.4.5 模型进一步简化  76-77
  6.5 应力评定  77-80
    6.5.1 路径选取  77-78
    6.5.2 应力评定  78-80
  6.6 与其它换热板的比较  80-81
  6.7 小结  81-82
结论与展望  82-84
  结论  82-83
  展望  83-84
参考文献  84-89
攻读硕士学位期间取得的研究成果  89-90
致谢  90-91
附件  91

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