波纹换热管的研究报告.pdf
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1、-.-本科毕业设计本科毕业设计(论文)(论文)题目波纹换热管的研究XX专业机械设计制造及其自动化学号指导老师-可修编-.机械工程学院机械工程学院二一四年五月二一四年五月-可修编-.目录目录摘要 IABSTRACTABSTRACTII前言 III第 1 章波纹换热管的概述 11.1 波纹换热管的结构和成型 11.1.1 波纹换热管结构及其波形确定原理 11.1.2 波纹换热管的成型 21.1.3 波纹换热管与管板连接方式 21.2 波纹换热管传热机理 31.2.1 对流传热理论基础 31.2.2 波纹管强化传热机理 41.3 波纹换热管优点 6第 2 章波纹换热管刚度分析 82.1 有限元概念与
2、 ANSYS 软件简介 82.1.1 有限元分析理论 82.1.2 ANSYS 简介及其分析典型过程 82.1.3 ANSYS 主要功能 92.2 有限元分析过程 102.2.1 波纹管三维模型的建立 102.2.2 ANSYS 前处理 122.2.3 施加载荷及计算 132.3 计算结果分析及讨论 142.3.1 米塞斯(Von Mises)屈服准则 142.3.2 波纹管外壁面等效应力的比较 152.3.3 波纹管波峰和波谷等效应力分析 162.3.4 不同波谷圆弧半径的波纹换热管之间最大等效应力的比较 20-可修编-.第 3 章波纹换热管的传热能力分析 223.1 计算流体力学理论及其软
3、件介绍 223.1.1 计算流体力学理论 223.1.2 计算流体力学软件概述 233.2 FLOTRAN CFD 分析简介 243.2.1 FLOTRAN CFD 分析概述 243.2.2 FLOTRAN CFD 分析的主要步骤 243.3 波纹换热管传热能力分析过程 243.3.1 模型简化假设 243.3.2 几何模型的选择 253.3.3 入口边界条件 263.3.4 出口边界条件 273.3.5 壁面边界条件 273.3.6 对称边界条件 273.3.7 几何模型的网格划分 283.3.8 求解设置 293.4 结果分析及讨论 293.4.1 44/33 波纹管结果分析 293.4.
4、2 12 组不同波谷圆弧半径波纹换热管对比分析36结论 39致 40附录 43-可修编-.波纹换热管的有限元分析波纹换热管的有限元分析摘要换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体,使流体温度达到工艺流程规定指标的热量交换设备,换热器是化工生产中常用设备之一。换热管是换热器的核心元件,设计和制造各类高性能换热管一直是重要的研究课题。目前国外学者致力于研究和开发高效换热管,传热强化是该领域研究的重点。本论文研究容主要分为两部分,以工业常用的44/33(波峰直径/波谷直径)尺寸波纹管为主要研究对象,使用 ANSYS 有限元分析软件分析波纹换热管应力分布和传热能力。另外选取 11 组波谷圆弧半径不同、其
5、他尺寸相同的波纹管做对比组,比较波纹换热管波谷圆弧半径变化对管的应力分布和传热能力的影响。通过分析发现,波纹换热管最大应力主要出现在波谷圆弧处,最佳传热区域主要在波纹收缩段。关键词:换热器;波纹换热管;应力分布;传热能力;ANSYS-可修编-.Finite Element Analysis of the CorrugatedFinite Element Analysis of the CorrugatedHeat Exchange TubeHeat Exchange TubeABSTRACTABSTRACTIn petrochemical production,the heat exchang
6、er is one of the monly used equipment.Improving heat transfer efficiency and performance is an important way to saveinvestment,save resources,improve the production capacity.Heat exchange tube is thecore element of heat exchanger,so the design and manufacture of various types of highperformance heat
7、 exchange tube has been a very important research subject.In recentyears,many scholars at home and abroad dedicated to the high efficiency of heatexchange tube research and development work,including heat transfer reinforcement isthe key of the research in this field.This paper research content main
8、ly divided into two parts,the first is the analysis ofstress distribution;the second is the analysis of heat transfer ability.we choose the 44/33(peak diameter/trough diameter size)corrugated tube which is monly used inindustry as the main research object,using ANSYS finite element analysis software
9、analysis corrugated heat exchange tube stress distribution and the heat transfer ability.Inorder to pare the influence of trough arc radius size to the corrugated tube,we alsochoose another 11 groups ofcorrugated tube as the contrast groups which trough arcradius size are different,the other is the
10、same,paring corrugated pipe trough the arcradius on the tube axial stiffness and heat transfer ability.-可修编-.Through the analysis we found that the stress concentration phenomenon appears atwave trough arc of corrugated heat exchange tube,the best heat transfer area mainly incorrugated contraction.K
11、EY WORDS:heat exchangerKEY WORDS:heat exchanger;corrugated heat exchange tubecorrugated heat exchange tube;stress distributionstress distribution;heat transfer abilityheat transfer ability;ANSYSANSYS前言换热器是工业生产中一种特别重要的热交换设备,用来使热量从一种介质传递到另一种介质以提高热量利用率,换热器在各种各领域中有很广泛的应用,尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调等领域1。换热器能够让工
12、业能源二次被使用,实现回收余热和降低生产成本。对国外换热器市场调查发现,尽管各类板式换热器的竞争力呈上升趋势,但是管壳式换热器的应用仍占据大部分市场。随着时代发展,世界各国工业生产对能源的高效利用要求越来越高,对管壳式换热器的研究已经进入一个新时期,主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展。时至今日换热器传热管件和壳程的折流结构都较传统的管壳式换热器有了很大的改变,关于换热器流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果的理论研究和结构设计等方面也都有了新的进步。波纹管换热器是管壳式换热器一种新兴类型,换热元件用波纹换热管取代原始的光滑直管,这种换热器将传热效率提高了 2 到 4 倍2。波纹换热管的结
13、构周期性变化,比光滑直管复杂很多,对管流体有充分扰动影响,迫使流体湍流流动,増强了换热管传热能力。波纹换热管的其他优势是不断收缩和扩的管型使波纹管具有了补偿能力,即在应力作用下,波纹换热管可以在一定围自由伸缩,不会对换热器管板等元件造成损害,同时也正是这种小幅度“伸缩”让波纹换热管具有-可修编-.很强防结垢能力,因此波纹管式换热器在工业生产中得到了广泛应用。本文以工业常用的44/33 尺寸波纹换热管为主要研究对象,借助 ANSYS有限元分析软件计算波纹管在压作用下的等效应力、分析其在管湍流流动时的传热机理。为了研究波谷圆弧半径变化对波纹管应力分布和换热能力的影响,本次分析另外选取了 11 组波
14、谷圆弧半径不同的波纹管作对比,对对比组波纹换热管施加相同工况载荷,比较不同管型应力分布状态,以及波纹管出口速度、温度和管压力分布、壁面剪应力分布情况。-可修编-.第 1 章 波纹换热管的概述1.1 波纹换热管的结构和成型1.1.1 波纹换热管结构及其波形确定原理波纹换热管,一般是由无缝不锈钢管经二次加工成型得到3,它的纵向截面是不同半径圆弧相切而形成的连续波纹,参考图形如 1-1 所示。图 1-1 波纹管几何参数说明D波纹管波峰直径;d波谷直径;t波纹管的壁厚;R波峰圆弧半径;r波谷圆弧半径;a波距。波纹换热管加工波纹的目的是强化管流体流动,使流体不断形成湍流,以增强传热效果。根据波纹换热管在
15、生产中的应用,属于承压元件,因此要求波纹换热管必须具有合格的承压能力。尽管过深过密的波纹有利于强化传热,但是这种结构的波纹换热管也会增大管流体压力损失,同时也容易失稳。从强化传热和减小压降两方面综合考虑,波纹管波纹既不能过深过密又不能过浅过疏,-可修编-.同时还需要考虑力学、材料和成型工艺等因素,因此设计合理的波纹形式是设计波纹换热管的关键技术所在。1.1.2 波纹换热管的成型波纹换热管,由薄壁(壁厚小于 1 mm)光滑直管加工而成,直径小,管子长、纵向结构上有周期变化的波纹,生产加工较为困难。波纹换热管从波形上分为螺旋形波纹和环形波纹。由于螺旋形波纹管接头过渡复杂,因此现在制造厂大多以生产环
16、形波为主。光滑直管加工成波纹管过程中会发生较大的变形,因此要求材料必须有较好的力学性能和材料性能。波纹管生产成型后应力状态十分复杂,需进行去应力退火并进行水压试验,检查合格后方才能制造换热器。液压胀型和软胶胀型是目前波纹换热管两种主要成型方式。液压技术是波纹管液压胀型工艺是常用技术,加工过程是将光滑直管放在成型模具中,然后向管注入高压液体,液体的压力作用使光管发生形状改变从而获得模具规定的几何形状,这中加工方法的缺点是需要对模具施加大量工装,工序复杂,加工过程慢,同时工作环境较差,加工时不容易密封;软胶胀型加工方法是利用对光管圆柱形的软胶对光管进行轴向压缩使其产生径向压力迫使波纹形成。螺旋形波
17、纹主要采用液压加工方式,环形波纹既可用液压加工也可用软模成形制造。1.1.3 波纹换热管与管板连接方式波纹管与管板的连接形式一般为强度焊、强度胀和焊胀并用。强度焊是采用焊接工艺使换热管和管板连接的方法;强度胀是根据金属具有塑性变形这一特点,用胀管器将管子胀牢固定在管板上的连接方法。如果采用强度焊连接方式,由于波纹换热管管壁很薄,直接与管板焊接会直接使换热管管壁熔化导致焊接失败,因此必须在换热管两端设置焊接段(管壁厚度大于换热管),但是焊接接头存在残余应力,在运行中容易引起应力腐蚀与疲劳;如果采用强度胀连接方式,由于波纹换热管是由奥氏体不锈钢直管在模具中液压膨胀加工而成,加-可修编-.工过程中发
18、生较大的塑性变形,管体强度和硬度增强,塑性和韧性减弱,因此波纹换热管采用强度胀连接方式有很大难度4,很难保证连接部位的强度。可见,强度胀和强度焊都有其局限性,焊胀并用的方法在一定程度上解决了上述问题。目前焊胀并用方法多采用先焊后胀的顺序,既可以在保证连接部位的强度和密封性,又可以改善抗疲劳性能,还消除了应力腐蚀和焊缝腐蚀,提高了使用寿命,所以焊胀并用的连接方式得到了广泛应用。1.2 波纹换热管传热机理1.2.1 对流传热理论基础物质热交换有三种方式:热辐射、对流传热和热传导。对流传热是流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程,化工生产中管壳式换热器管程和壳程之间的热量交换主要是对流传热,热量
19、从热流体传到间壁外表面,从间壁表面传给冷流体5。而换热管壁面的热量传递主要是热传导方式,在管壳式换热器传热过程中热辐射不予以考虑。1.对流换热的分类按动力分分为:强制对流;自然对流;混合对流。按有无相变分分为:单相介质换热;相变换热。按流动形式分分为:层流流动换热;湍流流动换热。按几何形状分分为:管流动;外部流动。2.流体在换热管湍流状态下速度和温度分布情况简介流体从进入管口开始,由于具有粘性,同时受壁面阻碍作用,靠近壁面的流体层首先减速,随着流体向前流动,相邻流体层依次减速,产生速度梯度,速度受到影响的流体区域越来越厚,这就形成了速度边界层6。从管口开始,初始的速度边界层流体速度较小,流动类
20、型为层流,故称为层流边界层。随着流动的进行,层流边界层的厚度逐渐增加,流体流速在径向方向也逐渐增大,当流速达到一定值的时候层流边界层外缘靠近管中心的部位开始出现湍流(层流边-可修编-.界层发展为湍流边界层),速度边界层迅速往管中心扩大,同时层流底层被侵蚀、压缩。当湍流边界层在管子中心线汇合之后,流体在管的流动发展为完全的湍流(这段长度叫稳定段长度)。稳定段之后管的流体(即湍流边界层)按流型分为层流底层、过渡层和湍流主体。速度在壁面轴向的出现流动边界层,同样,当流体在与壁面之间存在温差时,在壁面上也会出现一定厚度的薄层温度发生明显变化,我们称这层薄层为热边界层。热边界层与流动边界层类似,部存在很
21、大的温度梯度,热量扩散主要发生在这个区域,热边界层以外的区域是等温流动区,湍流边界层的热阻主要集中在层流底层。3.增强换热管对流传热的方法主要有:(1)改变流体流动状况,提高流速。增加流体流动的湍动程度,减薄层流底层,从而强化传热。(2)增加人工扰流装置,在管或管外安放螺旋圈、翅片等以破坏流动边界层而增强传热。(3)改变流体物性。流体物性对传热有很大影响,一般导热系数与比热较大的流体,其对流传热系数也较大。(4)改善传热面状况。如增加粗糙程度,对管表面加工制成多孔表面管或涂层管。(5)改变传热面形状,采用各种异形管,如波纹管和变截面管等。异形管迫使管流体流动状态随其结构变化而变化,流动方向和流
22、动速度不断发生改变,有助于形成湍流流动,减薄边界层厚度,加强传热能力。1.2.2 波纹管强化传热机理传热学的基本公式如(1-1):Q K F tm(1-1)式中,Q换热量,W;-可修编-.K总传热系数,W/(m2);tm进行换热的两流体间平均温度差,。由此可知传热量Q由三个因素决定:传热系数K;传热面积F;平均温差tm。想增大换热器传热能力可以通过增大上述三个因素值来实现,但是增大换热器的传热面积和平均温差都不是最佳途径,因为传热面积与换热器结构有关,单纯增大传热面积会导致设备体积增大进而增加设备成本;平均温差与流体工况有关,增大传热温差会增加能耗。因而最理想的办法就是增大传热系数 K。传热系
23、数的计算公式如(1-2):K 1ddd1(0)0 r0 ri(0)w(0)diidiwdi(12)式中:K总传热系数,W/(m2);i,o管、外传热系数,W/(m2);ro,ri管、外污垢系数,m2k kw;di,do管、外径,m;w管壁材料的导热系数,W m1k1;w管壁厚度,m。可以看出,想要提高换热管总传热系数,需从两方面考虑,一是减小传热过程各个环节的热阻,二是增大管外换热系数7。由于换热管中各项热阻所占份额不同,故应设法减小传热过程中的主要热阻。不锈钢导热能力良好且管壁很薄因此换热管壁面热阻不是主要热阻。值得注意的是污垢热阻,污垢热阻是一个变化因素,生产中在换热器使用初期阶段,污垢热
24、阻很小,污垢随着时间的增长而逐渐集中在传热面上,成为主要热阻影响换热器换热效率。因此,防止污垢的形成及快速清理传热面的污垢是换热器高效运行的保证。波纹换热管以其周期变化的结构形式可以防垢、清垢,在此方面较光滑直管有突出优势(详见 1.3 节容)。-可修编-.波纹换热管变化的流通形状是增大传热系数的关键,流体在管经过周期性断面变化时引起压力和速度的相应变化。在流体流动方向上,波峰处流体速度小、静压大;波谷处流体速度大,静压小,流体在反复改变的速度和压力梯度下流动,流动呈无序的混乱状态,不断产生湍流涡冲刷层流底层,使其变薄,传热阻力很小,增大了换热管传热能力。1.3 波纹换热管优点1.传热系数高。
25、由于波纹管流动通道的横截面连续突变,管流体流速和流动方向不断改变,大幅提高流体的湍流强度,破坏底层的层流,使流体边界层的流动状态发生变化,从而提高管外的对流传热系数,在管流体流速较低的情况下,即可达到湍流速度。2.可承受中低压力,耐腐蚀能力强,寿命长。波纹管由不锈钢光滑直管冷加工成型,承载压力能力比光滑直管强,可以满足化工行业中中低压换热工况需要。3.可以适应较大的温度差,可以在不对换热器管板造成损害的前提自动调节由温度差引起的应力变形。因为波纹管是由连续的波纹结构组成,管壁薄,同时奥氏体不锈钢材质具有良好的韧性,因此波纹换热管具有一定围轴向伸缩能力,当换热管外流体温差较大或者外工况压力差较大
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