管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟

毕业设计（论文）管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟专业年级2007级热能与动力工程专业学号姓名20070348杨郭指导教师刘巍评阅人刘庆君二零一一年六月中国南京任务书课题名称：管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟课题类型：毕业论文任务书内容:1、英文资料的翻译5千个汉字字符以上（要求和热动、空调、能源、环境、新能源等本专业有关的内容，可以是英文著作、设备使用手册、英文文献检索、英文专利文献、网上专题介绍等实用性的、将来工作中可遇到的相关题材的文章，最好不要是科普类、教学类的英文）2、使用的原始资料（数据）及设计技术要求：2.1.管壳式换热器，热交换功率100kW，200kW。2.2.温度进口350~500℃，出口温度150~200℃，流速可变；温度进口100~150℃，出口温度300~450℃，流速可变。其总流阻损失应在满足规定要求。2.3.换热器材料可选，几何尺寸可变；工作介质可选择（空气、水、氟利昂）2.4.换热器外壁面绝热保温；2.5.采用CFD模拟计算与能量分析，对系统进行相关工况的模拟；3、设计内容：3.1.学习和消化设计任务书，按照设计任务书的设计内容，拟定工作内容和计划，拟定出设计和计算的每个过程中应该遵循设计要求与规定。3.2.查找和收集有关管壳式换热器的历史和现状资料，查找相关管壳式换热器的运用案例，及其相关的技术条件和运行要求。3.3.以科技文献检索，包括期刊、专利、设计标准、产品标准、设计手册、产品样本，寻找和熟悉相关的分析计算软件；熟悉设计工具软件、电脑等；3.4.根据已知参数，用ProE设计出符合要求的管壳式换热器，并学习如何导入相关软件进行网格设计；3.5.进行管壳式换热器CFD网格设计，用fluent软件对管壳式换热器进行变工况运行能量分析；3.5.分析计算换热器的流阻损失，其结果的合理性，分析提高换热效率主要手段和改进的方向。3.6.输出的计算文件包括：3.6.1.完整的毕业设计任务书3.6.2.符合要求的算模型的结构、尺寸；3.6.3.换热计算的过程、表格，计算结果的结论等等；3.6.4.规定状态的CFD模拟结果和能量分析图；3.6.5.毕业设计论文；3.7.把所作的工作、学习的体会、方案的选择过程、计算方案过程等写在过程手册中，写好毕业设计论文。准备毕业答辩的PPT文稿。任务书进度:1、16~17周，分析、熟悉毕业设计题目、查找相关翻译资料，对“毕业设计任务书”进行分析计划；收集相关行业信息；准备电脑、办公地点，学习相关软件；2、18~19周，基础设计，查找技术资料、确定设计方案，对方案进行初步设计与计算；3、1~4周，进行相关计算，结果分析，编写相关计算、设计、计划文件；4、5~9周，计算结果分析、修改、撰写毕业论文；5、10~14周，毕业论文和设计文件的修改，准备毕业答辩。参看文献:[1]薛殿华主编《空气调节》.清华大学出版社；1990年.[2]杨世铭,陶文诠编著《传热学》第三版.高等教育出版社；1998年09月.[3]赵庭元主编《工程常用物质的热物理性质手册》.新时代出版；1987年9月.[4]朱聘冠主编《换热器原理及计算》.清华大学出版社；1987年9月.[5]单寄平主编《空调负荷实用计算法》.北京中国建筑工业出版社；1988年.[6]冯玉琪,徐育标,吕关宝主编《新编实用空调制冷设计、选型、调试，维修手册》.北京，电子工业出版社；1997.[7]《通风与空调工程施工及验收规范》（GB50242-97）.[8]韩占忠,王敬,兰小平主编《流体工程仿真计算实例与应用》北京理工大学出版社；2003年9月.[9]清洁能源论坛《FLUENTHELP算例精选中文版》.[10]Fluent的学习网站、资料等等.评委意见指导教师：刘巍，2010年12月05日学生姓名：杨郭，专业年级：热能与动力工程专业2007级系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）：系负责人签字：，年月日管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟摘要：本文首先，对给定参数的立式管壳式换热器进行热力计算得到总的传热面积为69㎡，总的传热系数为128.2W/(㎡.k)，并对计算的换热器传热系数和压力降进行了复核计算，最终得出设计的换热器的主要参数符合设计要求。然后，参照《管壳式换热器设计手册》和《GB151—1999管壳式换热器》对换热器的结构参数进行设计和选型，最终得到设计换热器各主要结构的参数尺寸如表5，并画出换热器的装配图和零件图如图3-2~3-6。最后，使用algor软件对换热器进行了多耦合的有限元分析，分别建立了换热器整体结构和重要部件的三维有限元耦合分析模型及壳程流体的二维有限元分析模型；模型中充分考虑了换热器的高温特性和结构的复杂性，通过流场分析和结构热分析，得出了比较完整的换热器的流场分布和温度场，并计算出了相应的热应力；换热器管板总体模型充分考虑了换热器结构的复杂性以及与热-应力耦合分析模型的一致性；通过分析计算出的数据，分别讨论了换热器管程和壳程流体流场对换热温度场分布的影响以及温度载荷与压力载荷对换热器整体结构的影响，确定了换热器最危险结构，并根据JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》，对换热器进行了强度校核，得到最危险结构点出现在上管板中心换热管附近，此处最大应变为0.0048mm，最大位移为0.22mm。由于此处应变和位移都较小，说明设计的换热器符合设计要求。关键字：管壳式换热器，热应力，流固耦合分析，algor软件Abstract：Inthisstudythetotalheattransferareais69squaremeterswitchiscalculatedbyaverticalshellandtubeheatexchangerofthegivenparameter,thetotalheattransfercoefficientis128.2W/(m2.K),theheattransfercoefficientoftheheatexchangerandpressuredropwaschecked,finallyitmeetsthedesignrequirementsinthemainheatexchangerdesignparameters.TheshellandtubeheatexchangerdesignhandbookandtheGB151-1999shellandtubeheatexchangerisreferencedtodesignandselectmodel.Finallythesizeparametersofthemainstructureisshownintable5,theassemblydrawingsandpartsofheatexchangerarepicturedinfigure3-2~3-6.Finally,conductingtheMulti-coupledfiniteelementanalysisbyalgorsoftware,theoverallstructureaswellasimportantpartsofthree-dimensionalfiniteelementanalysismodelandshell-coupledtwo-dimensionalfiniteelementanalysisoffluidmodelisestablishedrespectively.Thehightemperaturecharacteristicsandstructuralcomplexityofheatexchangeristakenintoconsideration,resultedthemorecompletetheflowfieldandtemperaturefieldthroughtheflowfieldanalysisandthermalanalysis,andcalculatingthecorrespondingthermalstress.Thethecomplexityofthestructureaswellasheat-stresscoupledanalysismodelofconsistencyisinvolvedintheoverallmodelofheatexchangertubeplate.Discussingtheinfluenceoffluidflowinheatexchangertubesideandshellsideontemperaturedistribution,andtemperatureloadandpressureloadontheoverallstructureofheatexchanger,toobtainthemostdangerousstructure.AndaccordingJB4732-95SteelPressureVessels-analysisanddesignstandardstoconductstrengthcheck,asthemostdangerousstructureappearsatthecenterofthetubesnearthetubesheet.wherethemaximumstrainis0.0048mm,themaximumdisplacementis0.22mm.Itilluminatesthedesignmeetsthedesignrequirementsforstrainanddisplacementaresmallerhere.Keywords:shellandtubeheatexchanger,heatstress,fluid-structureinteractionanalysis,algorsoftwarei目录第1章绪论............................................................................................................................................1第一节管壳式换热器的类型................................................................................................................1一、固定管板式换热器........................................................................................................................1二、浮头式换热器................................................................................................................................2三、Ｕ形管式换热器............................................................................................................................2四、填函式换热器................................................................................................................................3五、换热管..................................................................................