Abstract：In this study the total heat transfer area is 69 square meters witch is calculated by a vertical shell and tube heat exchanger of the given parameter, the total heat transfer coefficient is 128.2W / (m2. K), the heat transfer coefficient of the heat exchanger and pressure drop was checked, finally it meets the design requirements in the main heat exchanger design parameters. The \and tube heat exchanger design handbook\referenced to design and select model.Finally the size parameters of the main structure is shown in table 5,the assembly drawings and parts of heat exchanger are pictured in figure 3-2 ~ 3-6. Finally,conducting the Multi-coupled finite element analysis by algor software,the overall structure as well as important parts of three-dimensional finite element analysis model and shell-coupled two-dimensional finite element analysis of fluid model is established respectively.The high temperature characteristics and structural complexity of heat exchanger is taken into
consideration,resulted the more complete the flow field and temperature field through the flow field analysis and thermal analysis, and calculating the corresponding thermal stress. The the complexity of the structure as well as heat - stress coupled analysis model of consistency is involved in the overall model of heat exchanger tube plate. Discussing the influence of fluid flow in heat exchanger tube side and shell side on temperature distribution,and temperature load and pressure load on the overall structure of heat exchanger,to obtain the most dangerous structure. And according
JB4732-95 \most dangerous structure appears at the center of the tubes near the tube sheet.where the maximum strain is 0.0048mm, the maximum displacement is 0.22mm. It illuminates the design meets the design requirements for strain and displacement are smaller here.
Keywords: shell and tube heat exchanger, heat stress, fluid-structure interaction analysis, algor software
目录
第1章 第一节 一、 二、 三、 四、 五、 六、 七、 第二节 第三节 第2章 第一节 第二节 第三节 第四节 第3章 第一节 第二节 第三节 第四节 第4章 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 一、 二、
绪论 ............................................................................................................................................ 1 管壳式换热器的类型 ................................................................................................................ 1 固定管板式换热器 ........................................................................................................................ 1 浮头式换热器 ................................................................................................................................ 2 Ｕ形管式换热器 ............................................................................................................................ 2 填函式换热器 ................................................................................................................................ 3 换热管 ............................................................................................................................................ 3 管壳式换热器特殊结构 ................................................................................................................ 4 管壳式换热器性能比较 ................................................................................................................ 5 管壳式换热器设计概述 ............................................................................................................ 6 管壳式换热器有限元分析概述 ................................................................................................ 8 管壳式换热器热力计算 ............................................................................................................ 8 任务书要求 ................................................................................................................................ 8 符号定义 .................................................................................................................................... 9 热力计算过程 ............................................................................................................................ 9 热力设计评述 .......................................................................................................................... 20 换热器的结构设计 .................................................................................................................. 20 壳体、管箱厚度计算和进出口结构 ...................................................................................... 21 管子与管板的连接 .................................................................................................................. 21 折流板结构 .............................................................................................................................. 22 换热器装配图和主要结构零件图 .......................................................................................... 23 换热器的有限元分析 .............................................................................................................. 26 换热器有限元分析的假设和分析方法 .................................................................................. 26 Algor 多物理场耦合有限元分析软件介绍 ........................................................................... 27 换热器有限元分析模型的建立 .............................................................................................. 27 换热器模型简化 ...................................................................................................................... 28 换热器管程模型有限元耦合分析 .......................................................................................... 29 换热器管程的稳态流场分析 ...................................................................................................... 30 换热器管程稳态温度场分析和热应力耦合分析 ...................................................................... 32
(一) 换热器管程稳态温度场分析 .......................................................................................................... 32 (二) 换热器热应力耦合分析 .................................................................................................................. 34 三、 四、 五、 第5章
换热器重要部件有限元分析 ...................................................................................................... 35 换热器壳程流体换热耦合分析 .................................................................................................. 37 换热器有限元分析总结 .............................................................................................................. 38 总结 .......................................................................................................................................... 39
参考文献 ..................................................................................................................................................... 40 致谢 ............................................................................................................................................................. 41
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第1章 绪论
管壳式换热器是把管子与管板连接，再用壳体固定的一种比较常用换热器，与其他类型换热器相比，管壳式换热器制造容易，生产成本低，选材范围广泛，清洁方便，适应性强，处理量大，且能适应高温环境工作。在化工、炼油、原子能、建筑、机械、交通等许多技术领域中均有广泛的应用。如化工生产中的加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器、再沸器等；又如热力发电厂中的空气预热器、蒸汽过热器、凝汽器和冷水塔等，为了满足不同生产条件的需要，各工业部门采用多种多样的管壳式换热器[1]。由传热学理论可知道，热交换是一种复杂的过程，它是由系统内两部分的温度差异而引起的，热量总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分。传热的基本方式有热传导、对流和辐射3种，因此在管壳式换热器中，热量总是从热流体传给冷流体，起加热作用的热流体又称加热介质如水蒸汽、烟道气、导热油或其他高温流体等；起冷却作用的冷流体又称冷却介质如空气、冷冻水、冷冻盐水等[1-2]。在热交换过程中，热冷流体的温度是因整个流程而不断变化的，即热流体的温度由于放热而下降，冷流体的温度由于吸热而上升。适应于各种换热条件，管壳式换热器有多种形式。每种结构形式都有其特点和适用范围，只有熟悉和掌握这些特点，并根据生产工艺具体情况，才能进行合理选型和正确的设计，如图1-1所示为一种常用的管壳式换热器示意图。
图1-1 管壳式换热器示意图（BEM）[3]
第一节 管壳式换热器的类型
一、 固定管板式换热器
固定式管壳换热器的两端管板采用焊接方式与壳体连接固定，如图1-2所示。这种换热器的结构简单紧凑,在相同壳体直径内，排管数量最多；往往是管板兼法兰。适用于管、壳程温
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差不大或者管、壳程温差较大,但压力不高，壳程介质干净或虽结垢,但可以通过化学清洗能清除的场合。由于此类换热器集中了管壳是换热器的优点，因此在工程上应用比较广泛。
图1-2 固定管板换热器示意图（BJM）[3]
二、 浮头式换热器
浮头式换热器结构如图1-3所示，浮头换热器针对固定管板是换热器的缺点在结构上进行了改进，两端管板只有一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由移动，该端称为浮头。由于管板可以自由浮动,不受温差应力的困扰,其结构复杂,内浮头密封困难,锻件多,造价高。维修时可只更换管束,适用于管、壳程温差大但工作压力不超过10MPa的工况。
图1-3 AES、BES浮头式换热器示意图[3]
三、 Ｕ形管式换热器
U型管式换热器的结构如1-4图所示，每根管子都弯成U 形，进、出口分别安装在同一管板的两侧，再将该侧管箱用隔板分成两室，由于只有一块管板，管子在受热或冷却时，可以自由伸缩。其结构简单，能耐高温，耐高压，但管束不易清洗，拆换管子也不容易。因此要求通过管内的流体是洁净的。这种换热器壳用于温差变化很大，高温或高压的场合。
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图1-4 双壳程U型管式换热器（AFU）[3]
四、 填函式换热器
填函式换热器结构示意图如图1-5所示，其管束可自由伸缩,壳程和管程都可以拆开清洗,结构简单,适用管、壳程温差大工况。耐压、耐温及密封能力差,工作压力不超过40MPa,不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质。它有两种形式，一种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料函密封，以保证管子的自由伸缩。当换热器的管子数目很少时，才采用这种结构，但管距比一般换热器要大，结构复杂。另一种形式是在列管的一端与外壳作成浮动结构，在浮动处采用整体填料密封，结构较简单，但此种结构不宜用在直径大，压力高的情况。
图1-5 滑动管板式填料函换热器示意图[3]
五、 换热管
换热管是管壳式换热器的传热元件,采用高效传热元件是改进换热器传热性能最直接有效的方法。国内已使用的换热管有以下几种。(1)螺纹管 螺纹管也称低翅片管,用光管轧制而成,适用于管外热阻为管内热阻1.5倍以上的单相流及渣油、蜡油等粘度大,腐蚀易结垢物料的换热[4]。(2)Ｔ形翅片管 用于管外沸腾时,可有效降低物料泡核点,沸腾给热系数提高1.6～3.3倍,是蒸发器、重沸器的理想用管[5]。(3)表面多孔管 该管为光管表面形成1层多孔性金属敷层,
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