管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟 - 图文

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《FLUENT HELP 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：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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该敷层上密布的小孔能形成很多汽化中心,强化沸腾传热[5]。(4)螺旋槽纹管 可强化管内物流间的传热,物料在管内靠近管壁部分流体顺槽旋流,另一部分流体呈轴向涡流,前一种流动有利于减薄边界层,后一种流动分离边界层并增强流体扰动,传热系数提高1.3～1.7倍,但阻力降增加1.7～2.5倍[5]。(5)波纹管 为挤压成形的不锈钢薄壁波纹管,管内、外都有强化传热的作用,但波纹管换热器承压能力不高,管心距大排管少,壳程短路不易控制[3, 6]。

六、 管壳式换热器特殊结构

(1) 双壳程结构 在换热器管束中间设置纵向隔板,隔板与壳体内壁用密封片阻挡物流内漏,形成双壳程。适用场合:①管程流量大壳程流量小时,采用此结构流速可提高一倍,给热系数提高1.2～1.倍。②冷热物流温度交叉时,单壳程换热器需要多台以上才能实现传热,用1台双壳程换热器不仅可以实现传热,而且可得到较大传热温差。

(2) 螺旋折流板换热器 螺旋折流板可防止死区和返混,压降较小。物流通过这种结构换热器时温度存在明显的径向变化,故不适用于有高热效率要求的场合。

(3) 双管板结构 在普通结构的管板处增加个管板,形成的双管板结构用于收集泄漏介质,防止两程介质混合。

(4) 高温高压密封结构 ①金属环垫(八角垫或椭圆垫)。该结构加工简单,密封可靠,但对于大直径、高压加氢换热器金属耗量大、金属垫难以加工且密封不可靠。此种结构适用于压力为6～9MPa直径小于1000mm的工况。②螺纹锁紧环结构。同钢垫圈密封结构相比,其优点为密封可靠性好,金属耗量较少。但机加工件较多,结构复杂,设计计算繁琐,造价昂贵,不能准确排除管壳程间介质内漏,拆卸检修比较复杂。结构见图1-6。

图1-6 螺纹锁紧环结构[3]

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③密封盖板封焊型这种结构具有螺纹锁紧环结构所具备的许多优点,不同的是,它的管箱部分密封是靠在盖板外周上施行密封焊来实现。④Ω环密封结构。1种新型高压换热器密封结构,其优点是主螺栓预紧载荷和操作载荷较小,减小了设备法兰与主螺栓的尺寸和质量;拆卸检修方便、密封可靠;制造简单,造价低以及直径、压力、温度适用范围广。其结构见图1-7。

图1-7 Ω环密封结构[3]

七、 管壳式换热器性能比较

各种管壳式换热器特点如下表1所示

表 1 各种管壳式换热器特点比较

类 型 固定管管 壳 式 换 热 器 列 管 式 板式 刚性结构 带膨胀节 间不能清洗 特 点 用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难 管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮 结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中 能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器 5

浮头式 U型管式 填料函式 外填料函 内填料函 密封性能差，只能用于压差较小的场合 釜式 双套管式 套管式

螺旋管式 沉浸式 喷淋式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热 只用于管内流体的冷却或冷凝 在同等条件下,固定管板式换热器结构最紧凑,Ｕ形管式和浮头式换热器相当。固定管板式换热器最经济,浮头式换热器较差。在刘凯和,张素香的研究中，对3种换热器进行综合性能对比，3种换热器综合性能见表1,表中紧凑性是换热器总传热面积与其体积的比值,该值越大占地面积越小。经济性是指单位传热面积的金属耗量,该值越小造价越低。价格比指相同工况和材料下的相对价格比,并以固定管板作为基数。表2中换热器采用公称压力2.5MPa,6000mm管长作对比[7-8]。

表 2 三种换热器的综合性能比较

?2kgm经济性 换热器类型 固定管板式 U型管式 浮头式 2?3紧凑型/mm 价格比 1.0 1.1～1.25 1.2～1.5 400 47 32 37 800 55 45 45 1200 60 47 48 400 44 50 64 800 1200 32 40 48 31 37 40 从表中可以得出，在同等条件下,固定管板式换热器结构最紧凑,Ｕ形管式和浮头式换热器相当。固定管板式换热器最经济,浮头式换热器较差。若工况允许,选择换热器的次序为固定管板式、Ｕ形管式、浮头式。

第二节 管壳式换热器设计概述

立式管壳式换热器的设计步骤分以下几部分： 1） 换热器的热力计算

热力计算的主要任务是根据设计初参数，计算出换热器中的传热系数，传热量，总传热面积等； 主要设计步骤

（1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能 （2）计算传热量，并确定第二种流体的流量 （3）确定流体进入的空间

（4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据

（5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核 （6）选取管径和管内流速

（7）计算传热系数，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此，一般先假定一个壳程传热系数，以计算K，然后再校核

（8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的

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1.15~1.25倍 （9）选取管长 （10）计算管数

（11）校核管内流速，确定管程数

（12）画出排管图，确定壳径和壳程挡板形式及数量等 （13）校核壳程对流传热系数 （14）校核平均温度差 （15）校核传热面积

（16）计算流体流动阻力。若阻力超过允许值，则需调整设计。 其设计流程图如图1-8立式固定式换热器详细设计流程图所示 2）换热器结构设计

主要包括管程面积计算，壳体设计，进出口接管尺寸设计，热补偿，密封面与垫片类型确定，其他结构部件设计

开始计算计算数据近似数据特点问题壳管几何结构管束和折流板几何机构计算各种通道面积确定传热和压降因子确定壳程传热膜系数确定管程传热膜系数确定管程压降确定壳程压降确定总传热系数修正设计完成设计（a）（c）(b)不行不行不行

图1-8 固定管板式换热器设计详细流程图

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第三节 管壳式换热器有限元分析概述

随着计算机技术的提高以及计算流体力学和有限元分析方法的蓬勃发展，有限元数字模拟方法已经成为在换热器设计和分析过程中缩短设计周期和节约资源的重要手段。采用有限元分析方法各种换热器的流场、温度场及压力场等进行研究，能够详尽地预测管束支撑对流场、换热过程对换热器的影响及由热应力引起的热应变对换热器结构的影响，有利于提高换热器的综合性能，并设计出性能更优秀的、更适合设计要求的换热器。采用有限元分析不仅直观、灵活、费用低、周期短，而且还能够处理和预测更复杂的实际工作情况。本论文通过建立三维实体模型对设计的换热器采用简化模型，并通过使用algor多物理场有限元分析软件对设计的立式固定管板式换热器的管程、壳程和换热器重要部件进行有限元，包括稳态流场分析、温度场分析、流固耦合分析等。通过采用有限元分析的方法，采用实际简化的换热器模型对设计换热器在实际工况下工作进行了详细分析。

第2章 管壳式换热器热力计算

第一节 任务书要求

根据任务书知，立式固定管壳式换热器的主要设计参数有： 1、 换热器热交换功率为200KW

2、 管程介质为水，工作压力为5MPa，进出口温度为300/200℃ 3、 壳程介质为空气，工作压力为0.8MPa,进出口温度为150/230℃

4、 工作介质和冷却介质的流速应在合适的范围内，应保证总流阻损失满足规定范围，并且工质在换热器内的压降应在允许范围内（<50kpa） 5、 每年按300天计，每天24小时连续运行。

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第二节 符号定义

表 3 符号定义和参数说明 Ws Tm 管程工作介质质量流量 管程流体平均温度 平均有效传热温差 管程给热系数 总的传热面积 管壁平均温度 管程回弯压力降 与管束垂直流动的压力降 间隙流动的修正系数 Wi 壳程工作介质质量流量 壳程流体平均温度 传热系数 壳程传热膜系数 温度修正系数 直管沿程阻力引起的压力降 管箱进出口压降 折流板缺口处流动压力 压力降修正系数 tm k ?tm ?i F ao ??t ?pl ?pN ?pw tw ?pr ?pb ?s ? 第三节 热力计算过程

（1） 管程工作介质水流量Ws：

Ws?

Q200?3600??1486.4kg/hcp(Ti-To)4.844(300?200)(3-1)

（2） 冷却空气流量Wi

Wi?Q/cpi(ti?to)?200?3600kJ/h?9946.7kg/h (3-2)

1.034088?(230?150)（3） 流体的平均温度Tm和tm

因给热系数公式要求，要用流体的算术平均温度，分别计算管程和壳程的平均温度

Tm?0.5(Ti?To)?0.5(300?200)?250C tm?0.5(ti?to)?0.5(150?230)?190C

（4） 平均温度下的物性参数

tm?250C时，水的物性数据：

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?5??10.98?10pa.s 粘度

3??799.0kg/m密度

导热系数 ??0.6176W/(mC) 定压比热容

cp?4.844kJ/(kgC)

Tm?225C时，空气的物性数据： 粘度 ??0.0000264pa.s

3密度 ??5.558263kg/m

导热系数 ??0.03852W/(mC) 定压比热容

cp?1.034088kJ/(kgC)

（5） 平均有效温差?tm：

计算逆流条件下的对数平均温差：

?tm2?(Ti?to)?(to?ti)(300?200)?(230?150)??89.6284C(Ti?to)300?200lnln230?150(To?ti) (3-3)

（6） 决定通入空间，选取管径和管内流速：

为了保证换热器的安全使用，决定水走管内，空气通管间。并选用?20?2.5mm的BsTF4 黄铜管。考虑到主要热阻在管间空气侧，故管内水取较低的流速，wi?5m/s。 （7） 计算传热系数k

1） 管程给热系数?i：

流动在管管内其流动阻力和传热膜系数与流体在管内的流动状态有关，流动状态以雷诺数的大小来区分Re>10000为湍流，Re=2300~10000为过渡流

Re?diwi?0.02?5?799?727680.670.0001098 (3-4)

??由Re?727680.67?10000所以流体在管内的流动为湍流，式（3-5）计算管程给热系数

?diwi?0.8cp?0.4?i?0.023()()di?? (3-5)

?0.0230.61764.844?0.395280.4(727680.67)0.8()0.0200.6176

10

?54640.98W/(m2C)

2） 壳程传热膜系数?o

换热器内装有圆缺形挡板（弓形折流板），通常缺口面积取25%的壳体内截面积，空气的流速为1.5m/s：

Re?diwi?0.025?1.5?5.558263?7895.260.0000264 (3-6)

??由Re=7895.26<10000,所以选用kern法[9]计算壳程传热膜系数?o：其中假设流体流过每根管子中最窄通道的流速为3m/s。

?deuo?0.55cp?1/3?0.14ao?0.36()()()de???w (3-7)

0.038520.020056?3.0?5.5582630.551.034088?0.0000264?36001/3()()

0.0200560.00002640.038520.00002640.14) ?(0.0001098?0.36?139.6891W/(m2C) 3） 传热系数k

由于工作介质都是以蒸汽的形式工作，工作过程中处于相当较干净的环境，所以假设水和空气的绝热污垢系数为：

ri?0.000344m2C/W

ro?0.000172m2C/W

又管壁导热系数查传热学附录2，取?w?145w/m2C。由式（3-8）计算换热器换热系数

ddd111d (3-8) =+ro+w(o)+ri(o)+()okalddad0wmiii o10.00250.0250.02510.025?0.000172?()?0.000344()?()139.6891450.02250.02054640.980.020

?0.007924??（8） 传热面积F

F'?k?128.1592W/m2C

Q200?3600??62.68115m2ko?tm128.1592?89.6284 (3-9)

考虑到10%的面积裕度，则所需传热面积为：

11

F?1.1?F'?1.1?62.68115?69m2

（9） 排管和管程设计

取管心距t?1.28do?1.28?0.025?0.032m，管长为l?4.5m。 1) 管数：

'NT?F69??198?dol??0.025?(4.5?0.06) (3-10)

2) 排管：考虑管内空间分两程，程内按正三角错列排布，程间为矩形排布，具体见换

热器装配图。

3) 实际排管根数为199根，另有12根折流板固定杆位置。

壳体内径Di?520mm 排管直径Di'?473mm

接近中心线管排上的管子数： Nc?15根

圆缺区内的管数：NT,w?36根（其中有2根为折流板固定杆） 折流板上的管孔数：NB?163根（其中有6根为折流板固定杆） 一个错流区域流体所经过的主要收缩次数：N??8 圆缺区内错流的有效收缩次数：Nw?3 旁挡数：N??0（即不设旁挡）

装设切口高度为25%的圆缺形折流板，取板间距h?150mm，则折流板数为： 4.5?0.06N'??1?28.6

0.15实取折流板数N?28块，则靠近两管板端的间距为195mm,其余中间的板间距均为150mm。

（10） 复核传热系数

1) 管程水的给热系数?i

管程的实际水速：

1486.375w??4.306236m/s23600?799?0.2?0.020

ai?a('iw实际w选用)?54640.98（0.4.3062360.8）?48486.49W/(m2C)5

12

2) 壳程油的给热系数?o

由式（3-11）计算壳程的当量直径do：

2Di2?NTdo0.522?199?0.0252d????0.026574mDi?NTdo0.52?199?0.025 (3-11)

由式（3-12）计算流体横过管束时的通流面积F1：

F1?hDi(1?do/t)?0.15?0.52(1?25/32)?0.01477m2 (3-12)

由式（2-129）计算折流板切除高度H：

H?D2isin(?/4)?0.25Di 由此得 sin2(?/4)?0.25

由式（3-14）计算折流板的弦长b：

b?Disin(?/2)?0.52sin60?0.45033321m 由式（3-15）计算弓形面积F?：

F1b(Di/2??2(Di2)2???H)2 0.52?(0.522?0.25?0.52)?0.5(0.522)2?2.0933?2?3

?0.035377m2

由式（3-16）计算横面积与壳体横面积之比?：

??0.907(dot)2?0.907(2532)2?0.5536 由式（3-17）计算圆缺区内的流通面积F2：

F2?F?(1??)?0.035377(1?0.5536)?0.015792m2 由式（3-18）计算几何平均流通面积Fm：

Fm?F1?F2?0.01477?0.015792?0.015272454m2 单位面积的质量流量：

13

(3-13)

(3-14)

(3-15)

(3-16)

(3-17)

(3-18)

Gm?Ws9946.635?Fm0.015272454 (3-19)

22?651279kg/(mh)?180.9109546kg/((ms)

雷诺数：

Rem?doGm

??0.02?5180.911?171317.19190.0000264 (3-20)

普兰特准数：

Pr?cp?1034.088?0.0000264??0.03852?0.708721 由式（3-22）计算壳程给热系数?o：

1?0.60.6o?1.72?ddo(Re)(Pr)3(??)0.14ow ?1.70.2038521(0.00.362(1713107..619193)?.14

0.025)?(0.7008721)w

?413.8126(??)0.14W/(m2C) w假设 (u0.14u)?0.91 w 所以 ?o?413.8126?0.91?376.5695W/(m2C)

3) 传热系数：

1k?1376.5695?0.000172?0.0025145(0.0250.0250.0255)?0.000344o0.020

?148486.49(0.0250.020)

?0.002656?0.000172?1.69033?10?5?0.00043?2.57804?10?5

?0.003300236

所以 ko?303.0086347W/(m2C)

（11） 校核有效平均温差

RTi?ToA?t?300?200?1.25o?ti230?150

14

(3-21)

(3-22)

) (EA?to?ti230?150??0.533Ti?ti300?150

因为是1-2型管壳式换热器，温差校正系数??t应查图2-1 1-2型管壳式换热器温度修正系数图。查的R?1.25的点在图中同一线图上的温度修正系数为??t?0.81。

图2-1 1-2型管壳式换热器温度修正系数查询图

所以 ?tm???t?tlm?0.81?89.6284?72.599004C （12） 管壁温度tw

因为是金属薄壁，而且?itw?tm?k(?o，故壁温接近管程水侧的。

1?rd)?tmai (3-23) 10.025?0.000344)?72.599?198.4404374C48486.490.020

?190?258(此温度下，空气的粘度?w?2.52636?10?5Pas。

?0.142.52636?10?50.14()?()?0.95?w2.64?10?5 (3-24)

因此，在计算壳程给热系数时，原(（13） 计算流体阻力

1) 管程压力降：根据Re?727680.674.306236?626712.9395，查图2-2得管内摩擦系5.0?0.14)之假设是相对正确的。 ?w15

数fi?0.00019。

图 2-2 管内摩擦系数

由式（3-25）计算直管沿程阻力引起的压力降?pl：

ml?wi2??0.14?pl?4fi()()()di2?w (3-25)

2?4.5799?4.30622.64?0.14?4?0.00019()()()0.02022.52636 ?2517.768Pa

由式（3-26）计算管程回弯压力降?pr：

?pr?(4m)?wi22?(4?2)799?0.439?592.5907Pa2 (3-26)

取管箱进出口的流速为wN?1.5m/s，由式（3-27）的官箱进出口压降?pN：

799?1.52?pN?1.5()?1.5?1348.313Pa22 (3-27)

2?wN管程压降式（3-28）:

?pi??pl??pr??pN?2517.768?592.5907?1348.313?4458.671Pa (3-28) 2) 壳程压降

采用Bell法[3] 计算：

a) 与管束垂直流动的压力降?pb：接近中心线管排处的最小错流截面积按式

（3-29）计算：

16

Fb?h(Di'?Nodo)?0.15(0.410?13?0.025)?0.01275m2 (3-29)

此处垂直流动的最大质量速度为：

GB?Ws9946.653??21.67027kg/(m2s)FB0.01275 (3-30)

此处的雷诺数：

Re?doGB??0.025?780129.6?73875.910.264

根据Re，由图2-3查得三角形错列时的壳程摩擦系数为fs?0.12。

图2-3 壳程摩擦系数

管束外缘与壳体内壁之间的间隙的流通截面积按式（3-31）计算：

FC?[Di'?(NC?1)t?do]h (3-31) ?[0.48?(15?1)?0.032?0.025]?0.150 ?0.007m2

此处旁流的修正系数按式（3-32）计算：

??p?exp[?3.8FC2NS0.007(1?3)]?exp[?3.8]?0.12414879FBN?0.01275 (3-32)

由式（3-33）计算?pb：

?pb?4fsNC2?wb2?GB??0.14??p()?4fsNC?(w)0.142?w2?? (3-33)

21.670272?0.12414879?0.91 ?4?0.12?8?2?5.558217

= 183.5 pa

b) 通过折流板缺口处流动的压力?pw：

折流板缺口处的通流截面积，按式（3-34）计算：

?Fw?k1Di2?NTwdo2?0.154?(0.52)2?36?0.785(0.025)2?0.023979m2 (3-34)

4其中k1由表4查得。

表 4

k1值查询

k1 0.154 0.198 0.245 0.293 0.343

折流板切除高度H

0.25Di 0.30 Di 0.35 Di 0.40 Di 0.45 Di

折流板缺口处的流速式（3-35）

ww?Ws9946.653??2.427272m/sFw?0.02039?5.58263?3600 (3-35)

最小错流截面积上的流速式（3-36）

wB?Ws9946.653??3.881036m/sFB?0.01275?5.58363?3600 (3-36)

几何平均流速式（3-37）

wz?wB?ww?24.27272?38.81036?3.069255m/s由式（3-38）计算?pw：

(3-37)

5.58263?3.0692552?pw?(2.0?0.6Nw)?(2.0?0.6?3)?99.9214Pa22 (3-38)

?wz2c) 间隙流动的修正系数?s

折流板的管孔（选孔径为d?26mm）和传热管外径之间的间隙的流通截面积（见表4）：

F??NB?42(d2?d0)?163?4(0.0262?0.0252)?0.006526m2 (3-39)

根据折流板（选取其直径DB?517mm）和壳体内壁之间的间隙之流通截面积

18

（见表4）：

360???360?120?2FE?()(Di2?DB)?()(0.522?0.5172)?0.001628m236043604 (3-40)

根据

FA?FE0.006526?0.001628??6.395133，由图2-4查得压力降修正系数FB0.001275??0.87。

图2-4 间隙对压力降的修正系数

由式（3-41）计算?s：

?s?1??(FA?2FE)?0.0127FA?FE (3-41)

d) 壳程压力降式（3-42）

?ps'?[2(1?Nm)??s(N?1)]?pb??sN?pwNe (3-42)

3?[2(1?)?0.0127(36?1)]?183.265?0.0127?35?99.92148

?629.8551Pa

如取壳程进出口管中的流速为4.5m/s的话。则壳程进出口管中的压力降为：

5.558263?4.52?pN?1.5?1.5?84.41612Pa22

?ws2这样，壳程全部压力降为：

'?ps??ps??pN?629.8551?84.416.12?714.2712Pa

19

第四节 热力设计评述

本设计结果，从压力降来看，管程约为4.5?103Pa，壳程为714.2712Pa，都远远低于一般容器许用值（104105Pa）。因此，本设计满足设计使用要求，不需重新进行计算。设计的

立式浮头式管壳换热器的参数见下表5。

第3章 换热器的结构设计

根据换热器的热力计算结果，查《换热器设计手册》和《GB151-1999管壳式换热器》对换热器的重要结构进行选型。最终的换热器的重要结构的参数如下表5所示。

表 5 立式固定管板浮头式换热器工艺参数

换热器型式：立式浮头式管壳换热器 换热器面积（㎡）：69 工艺参数 名称 物料名称 操作压力MPa 操作温度℃ 流量kg/h 流体密度kg/m3 流速，m/s 传热量kw 总传热系数w/㎡·k 对流传热系数w/㎡·k 污垢系数㎡·k/w 阻力降Pa 程数 使用材料 管子规格 管间距mm 折流挡板型式 壳体内径mm 项目 壳径D(DN) 32mm 32 上下 500 数据 520mm 48486.49 0.000344 4458.671 2 低碳钢 管数 199 排列方式 间距mm 项目 管尺寸 150 保温层厚度mm 管程 水 5 300/200 1486.375 7.99 5 200 128.1592 376.5695 0.000172 714.2712 1 低碳钢 管长mm 4500 正三角形 切口高度25% 数据 ￠ 20X2.5mm 壳程 空气 0.8 230/150 9946.653 5.558263 3 20

管程数Np 管数n 中心排管数nc 管程流通面积 2 199 15 39.831㎡ 管长l（L） 管排列方式 管心距 传热面积 4.5m 正三角形排列 32mm 69㎡ 换热器的结构设计主要包括壳体和管箱壁厚的计算，管子与管板连接结构设计，壳体与管板连接结构设计，管板厚度计算、折流板、支持板等零部件的结构设。

第一节 壳体、管箱厚度计算和进出口结构

壳体、管箱箱壳体和封头共同组成了换热器的外壳。管壳式换热器的壳体通常由管材或者板材卷制而成。但直径<400mm时，通常采用管材作为壳体和管箱壳体。当直径>400mm时，采用板材卷制为壳体和管箱壳体。其直径系列应与封头、连接法兰的系列相匹配，以便于法兰，封头的选型。对于一般换热器壳体的厚度不小于表6中规定的最小厚度值。

表 6 最小壁厚 mm

D/mm 碳钢，低合金钢(mm) 不锈钢(mm) 400~500 8 4 600~700 8 5 800~1000 10 6 1100~1500 12 7 1600~2000 14 8 由于设计换热器壳体直径为520mm，材料为碳钢，因此选择壳体厚度为8mm。

在换热器的壳体和管箱上均设置进出口管口。在壳体和管箱底部设置排液孔，上都设置排气管，在壳侧设置安全调节口、温度计、压力表、液位计、取样接管和溢流口。

第二节 管子与管板的连接

管子与管板的连接，在管壳式换热器的设计中，是一个比较重要的结构部分。它不仅加工工作量大，而且必须使每一个连接在正常运行状态中，保证介质无泄漏且具有承受介质压力的能力。

对于管子和管板的连接结构类型，主要有以下几种形式：（1） 胀接； （2） 焊接；（3） 胀焊结合。这几种类型除本身结构固定的特点外，在加工中，与生产条件，操作技术都有一定的关系。但是无论采用何种连接方式，都必须保证连接处能满足设计所需的密封性和具体足够的抗拉脱强度。本文设计中主要采用胀接的形式对换热管与管板进行连接，具体结构如下图3-1 换热器装配图中的局部视图。

由于换热管外径为25mm, 由表7知换热管外伸长度长度3mm，开槽深度为0.5mm；

21

表 7 换热管外伸长度 mm

换热管外径d 伸出长度li 槽深k

?14

16~25

3+2

30~38 4+1

45~57 5+2 0.8

不开槽 0.5 0.6

胀接时，将管端胀成圆锥形，由于翻边的作用，可使管子与管板结合的更为牢固，抗拉脱力的能力更高。当管束承受压应力时，则可不采用翻边结构形式。管孔开槽的目的为提高抗拉托力以及增加管程和壳体的密封性。

第三节 折流板结构

折流板的设计，主要根据工艺过程及要求来确定，设置折流板的主要目的为增加壳程流体的流速，提高壳程的传热系数，从而达到提高总的传热系数的目的。同时，设置折流板对换热器具有一定的支持作用，当换热管过长，而管子承受的压应力过大时，在满足换热器壳程允许压降的情况下，增加折流板的数量，减少折流板的间距，对缓解换热管的受力情况和防止流体流动诱发震动有一定的作用。而且，设置折流板也有利于换热管的安装。

折流板的类型有弓形折流板、圆盘-圆环型折流板和矩形折流板。最常见的为弓形折流板和圆盘—圆环形折流板。本论文设计使用单弓形的折流板结构如下图3-1所示。圆缺区切除面积为25%。

图3-1 单弓形介质流动图（上下排列时）

22

第四节 换热器装配图和主要结构零件图

设计换热器的装配图装配图和零件如下图3-2~3-6所示

图3-2 立式固定管板浮头换热器总装配图

23

图3-3 上管板_零件图01

图3-4下管板_零件图02

24

图3-5 折流板_零件图03

图3-6 支架底片_零件图04

25

第4章 换热器的有限元分析

第一节 换热器有限元分析的假设和分析方法

由于条件的限制，经典的换热器设计理论主要做了以下两点明显简化：第一，将温度载荷对换热器的影响简化为由于管程和课程轴向上的膨胀差而产生的应力；第二，把整个管板当作被换热管消弱了的实心当量板，并且没有考虑管板前后面巨大的温度差对管板可能的影响[10-11]。应用这些经典理论计算的换热器的数学模型，其分析结果存在很大的误差，也有很大局部性。随做计算机科学技术的飞速发展，有限元分析技术在换热器结构优化中越来越显示出巨大的作用。如果计算机性能能达到大型模拟的要求可以建立实际的换热器的三维模型，可以对设计出的换热器的性能进行很好的了解。但这样的计算量太大，计算时间太长，主要是对计算机的性能要求太高。因此对于一般设计的换热器，在计算机性能不能达到整体建模有限元分析的情况下，可以对设计换热的结构参数进行简化和采用相似结构的换热器进行分析，对换热器的重要部件进行详细的分析（如管板和折流板等结构），并且忽略非重要结构对设计换热器有限分析的影响。

具体到所要分析的设备，它具有高温高压无膨胀节的突出特点。对这台换热结构进行有限元分析是一项挑战性工作，主要困难包括：

1). 换热器布局整体上的结构不对称给模型简化带来的困难。包括几何上的结构不对称和尺寸上的巨大差距；

2). 高温下管板和管子的温度分布情况复杂，它们之间的热传递关系不能得到完全的认识，只能通过测量得到换热器金属管壁的温度；

3). 换热器壳程工作介质的流动情况相当复杂，要完全的透彻的分析比较困难； 4). 换热器壳程的建模比较困难，主要是换热管折流板之间的流通区域比较难建模； 5). 换热器整体建模有限元分析计算量非常大，对于一般的计算机性能要求比较高； 6). 换热器局部有限元分析可能存在比较大的分析误差，主要由于实际换热器工作中的边界条件比较复杂不容易设置和分析。

7). 一个换热器结构的有限元分析模型只有在充分考虑这些因素分析结果才比较合理可靠，因此在换热器结构参数中，由于所设计的换热器没有采用膨胀节，温差引起的应力可能是由于换热器不安全工作的主要决定因素，这在对换热器的结构分析中至关重要。所以必须对这部分重要考虑和分析。

8). 本课题使用proe建立三维的简化的实体模型，运用欧特克公司的有限元软件algor 2011建立了换热器有限元分析模型。该模型考虑了换热器的几何和尺寸上的不对称性、在高温下复杂的温度场和在换热材料的物性差异不同的情况下换热器的应力和应变。

26

第二节 Algor 多物理场耦合有限元分析软件介绍

ALGOR是新一代的CAE分析工具，在汽车、电子、航空航天、医学、军事、电力系统、石化、土木工程、微机电系统、日用品生产等诸多领域中均得到了广泛的应用。 ALGOR核心代码起源于1970年开发的SAP程序，它是由美国加州大学伯克利分校的K.J.Bathe、E.L.Wilson和F.E.Peterson等人共同研制。ALGOR最初在中国出现时被称为“SUPER SAP”。在1995年，ALGOR公司推出了在Windows95环境下运行的Windows版本的ALGOR95。在ALGOR V14版本中，引入了多物理场分析功能，使ALGOR软件在综合分析能力更强大，软件操作更简便。主要功能包括几大类，1）静力学分析功能2）线性动力学分析3）非线性动力学分析4）热传导分析功能5）流体分析功能6）静电场分析功能7）管道设计及分析功能8）压力容器设计向导（PV/Designer）9）DDAM（水下爆炸和冲击模拟）10）疲劳分析11）多物理场分析功能。支持多CAD软件协调的前处理和分析如Pro/E，Alibre Designer，Solid Edge，IronCAD，SolidWorks，UG，CAXA Solid，CATIA，Inventor，AutoCAD等现在众多的世界上主流的CAD软件的复杂实体模型。Algor可以与多种有限元分析软件进行模型数据的交换，包括ANSYS (. c db，.ans)，NASTRAN(.nas，.bdf，.dat，.op2)，FEMAP(.neu)，PATRAN(.pat)，SDRC I-DEAS(.unv)，Stereolithography(.stl)，Blue Ridge Numerics(.neu)。由于algor软件完全采用window风格的图形化界面，它采用工程化语言描述，尽量少地涉及有限元概念，这对熟悉window系统的设计员、分析人员来说非常容易学习和操作，被誉为“世界上学习周期最短的多物理场分析软件”[12]。

第三节 换热器有限元分析模型的建立

换热器的工艺参数如表8所示。由于现有的计算条件的限制，不可能全部采用实体单元进行模拟，并且对于设计出来的换热器进行整体建模比较麻烦。因此在既考虑精确度。又保证准确的同时，本论文采用简化的模型对换热器进行有限元分析，对于壳程分析采用二维的模型对流场和温度场进行分析；管程有限元分析模型采用简化的五管结构进行分析，重要部件采用实体的三维模型进行精确的有限元分析，如折流板和管板结构等。分析步骤，首先先分别建立独立换热器管程五管带浮头换热器的实体有限元模型，然后在建立换热器壳程的有限分析模型。最后综合考虑在管程模型中的温度场分布和在壳程的温度场分布相互作用下对换热器重要部件的热应变影响。

表 8 换热器工作介质参数

工作介质 空气 水 设计温度 进口温度/℃ 150 300 出口温度/℃ 230 200 设计压力/MPa 0.8 5 壳程 管程 27

第四节 换热器模型简化

由于所要分析的换热器是在高温高压下工作的设备，管程和壳程的设计温度与实际工作温度相差都很大，因此，温差产生的热应力不能按照国家标准中那样做过多的简化。在没有膨胀节的设备中有可能温差产生的应力在整个设备中起了非常重要的作用。国家标准中并没有计算换热器的温度场，显得非常粗略，所使用的规范，对于高温高压下此种换热器不推荐使用。

在经典的换热器分析中，对换热器温度问题的处理大多是做以下两种方式的简化：第一，将换热器存在的温度场忽略；第二，分别将管程温度和壳程温度平均化，然后求管程和壳程之间形成的热膨胀差引起的应力，而将管板厚度方向的热应力忽略掉[13]。以上处理虽然使问题得到简化，但如果用来处理高温高压下换热器时，却与实际情况相差较远。另一方面，实际中换热器液体的流动状态十分复杂，要想得出实际情况下的温度场，进而求出精确的热应力很困难。因此，在考虑现有条件下，对模型的边界条件做出适当的简化，以能够满足工程上计算精度的要求，是一种可行的途径。本章充分考虑现有条件下对换热器做热分析，通过选择适当的分析方法，得出换热器复杂的温度场，以作为后面结构分析得有效载荷。这也是热分析的目的。在计算出温度场以后，可以将其作为载荷加入到结构的热分析中去，通过分析热应力的大小，来评定温度对整个换热器设备的影响。本课题在保证分析精确性的前提下，对换热器的模型做一下简化。

1) 在对换热器的管程进行分析时，本课题采用五管结构进行分析，并将换热器的整体尺寸参数缩小10倍，换热管轴向方向采用6个折流板间距的长度（即为130mm的长度，以便与壳程仿真得到的温度场结果进行耦合分析）。在对管板两边的浮头结构进行分析时，本课题采用了直接分析的方法对浮头结构换热器直接建立实体有限元模型如图4-1所示。

图4-1换热器有限元分析三维实体模型

2) 对于壳程进行结构分析时由于壳程的流体区域相对比较复杂难于建模和计算量太大，本课题在对壳体流体进行分析时主要采用二维的流体模型进行温度场分析，换热管方向采用6折流板间距（即1300mm）进行分析，壳程流场分析的二维模型图如图4-2所示。

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图4-2 壳程流体传热耦合有限元分析二维模型

3) 对于本课题设计的换热器的重要部件管板（结构如下图4-3）进行分析时采用真实的三维模型进行分析，在边界条件设置时采用壳程分析和管程分析得到的相应数据进行设置（如对上管板进行分析时对温度边界的设置由于管板的上表面主要与管程流体介质接触温度主要受管程的影响，因此其温度为相应管程结构点的温度分布。下表面主要与壳程介质相关，因此其温度分布主要为壳程相应结构点的温度）

图4-3管板结构有限元分析三维实体模型

4) 对于换热器的管程进行分析时，壳程介质温度取壳程的平均温度为190℃空气自然对流温度进行壳程模拟。

第五节 换热器管程模型有限元耦合分析

对于换热器管程模型进行稳态流体传热耦合分析和热-应力耦合分析，耦合分析采用间接耦合分析的方法进行，即先进行稳态流场分析，然后进行稳态热分析，最后进行热应力分析。

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一、 换热器管程的稳态流场分析

1) 网格划分和材料定义

在对换热器换热管内的流场进行分析时，首先生成换热管内的流体区域，并对换热管即换热管内的流体进行网格划分；采用algor内置的强大的封闭区域自动生成流体区域的功能生成管程流体的模型，如下图4-4、4-5所示。

图4-4 换热器结构模型和管程流体区域模型

图4-5 Algor自动生成的换热器管程流体区域模型

为了便于以后的稳态传热耦合分析和热应力耦合分析，对换热器管程模型和管程流体进行统一网格划分，对于整体网格采用四面体实体网格，对于管程流体区域由于进行流场分析时，为了保证分析的精确性，在网格划分时要考虑流场区域的边界层的存在。对于流畅区域的网格划分采用四面体和楔形体（边界层）网格，在流体边界上划分三层边界层网格。划分好的网格模型如下图4-8。

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图4-6 换热器和管程流体区域网格划分结果

图4-7 换热器管程流体区域网格划分结果

图4-8 流体区域边界上的三层边界层网格结构

2) 边界条件、载荷和分析设置

在algor软件中作稳态流场分析只能对流体区域进行分析，因此在分析之前要将换热器换热管部件禁用，只激活包含换热器管内的流体区域的部件。由于algor强大的智能区分流体边界的功能，在没有施加流体载荷的部分被全部认为为固体边界，所以在设置边界条件时，只要对流体介质的物性参数和进出口边界进行设置。由于管内流动介质为水，采用algor自带的材料库设置水密度为998.156kg/m3，运动粘度为0.0009997N/㎡，进口边界条件为沿Z轴方向的稳定流速为5m/s，出口边界设置为指定出口和入口边界（即指定为出口边界）。分析类

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型设置，考虑重力方向为Z轴负方向，并且为了对后面的热应力耦合分析进行计算分析将稳态流场分析得到的压力分布结果进行输出。为了得到更精确的分析结果和缩短计算时间，设置分析器类型为稀疏矩阵类型。设置好这些参数后就可以进行计算，计算结果如下图4-9所示。

图4-9管程稳定流场有限元分析结果

3) 分析结果分析

从上图分析得到的水的流速图中可以得出换热器换热管内的流速增加比较快速，出口浮头处的流速变化相对平稳。分析主要原因为入口浮头处得质量流量比较大，而换热管的横切面积相对浮头入口较小，所有在换热管内的流速加大；并且导致在入口浮头处与换热管相交的地方压力较大的原因，并且导致出口浮头局部区域的压力比较大。对于出口边界的中间流速过大，主要由于中间换热管直接导通所致，在实际换热器结构中，由于换热管的截面面积远远小于浮头出口截面面积，将不会出现这样大的波动。

二、 换热器管程稳态温度场分析和热应力耦合分析

(一) 换热器管程稳态温度场分析

由于对稳态流体传热耦合分析采用间接耦合分析方法，所以在作稳态温度场分析时应该先将上一步稳态流场分析得到的流速分布结果导入稳态温度场分析模型中，作为流体温度变化的速度载荷（主要原因为在algor软件中传递温度梯度、压力梯度等主要以坐标的方式进行传递[12]），并选择最后一个载荷工况的流速计算。由于在温度场分析中要考虑换热器内管程流

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体与换热器结构和换热器壳程流体之间的换热，因此在本分析过程中将换热器结构部件激活。设置分析类型的材料参数如下表9。

表 9 换热器稳态温度场分析材料参数

类型 管程介质 壳程介质 换热管 材料 水蒸气 空气 AISI1010 质量密度kg/m3 7.99 5.5582 7870 导热系数W/(m.℃) 平均比热J/(kg.K) 0.6176 0.03852 49.8 4.844 1.034088 448 边界条件设置方法：在设置边界条件时，考虑到换热器是暴露在空气中，没有保温装置，

因此将换热器暴露在空气中的部分设置为空气自然对流，自然对流的温度为20℃；由于壳程介质的流速分布和温度场分布比较复杂难于计算，因此将换热器换热管外侧的温度取计算得到平均温度200℃，换热器管程入口浮头温度载荷为300℃；稳态传热分析设置：在分析过程中考虑湍流和粘性热对温度场分布的影响；求解器类型选择稀疏求解器；通过计算得到的换热器管程的温度场分布和热通量分布图如下图4-10。

图4-10 稳态温度场有限元分析结果

从稳态分析结果中可以看出在靠近壳程低温侧的布管区沿轴向的温度梯度变化比较剧烈，换热管流体入口处的温度变化梯度最明显。低温侧由于没有保温材料暴露在空气中的部分温度相对较低温度在61℃左右。管程出口浮头受管内流体流速冲击影响出口处浮头的流速在管程有一定的大的变化如下图4-11所示。

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