多股流缠绕管式换热器管板的有限元分析

缠绕管式换热器广泛应用于煤化工装置,因其结构的特殊性,国内标准规范没有对其管板的设计计算方法做出规定。针对循环甲醇冷却器——一种典型的多股流缠绕管式换热器的管板在不同载荷条件下进行了有限元分析和应力评定,指出了有限元分析方法对于多股流缠绕管式换热器管板设计的经济性、实用性与安全性。

大型多股流缠绕管式换热器的制造

多股流缠绕管式换热器是化肥装置中的关键设备 ,其国产化一直是我国机械制造业的一个目标。本文介绍了循环甲醇冷却器 (15E6 )的国产化研究情况 ,包括传热工艺、设计标准、主材选择、焊接工艺。

润滑油加氢装置缠绕管式换热器设计与应用

换热器是影响润滑油加氢装置安全运行的关键设备,为提高换热器长周期运行效率,对螺纹锁紧环式传统换热器与缠绕管式换热器进行了比对研究,发现缠绕管式换热器运行稳定、管程与壳程之间产生内漏的可能性极小,是一种换热效率较高的换热设备。在某公司600 kt/a润滑油加氢异构脱蜡装置改造中,通过换热参数计算,用1台缠绕管式换热器代替了3台螺纹锁紧环式换热器,运行结果表明:热端温差下降了20℃、节省燃料气0.08t/h,总压降减小了200kPa,压缩机耗电功率减小了18kw/h。改造后3年运行期间没有出现质量缺陷,可以在同类装置中推广使用。

双股流低温缠绕管式换热器设计计算方法

提出一种适用于双股流逆流型缠绕管式换热器的换热工艺计算方法,应用数值模拟方法确定双股流缠绕管束基本物理参数。按照双股流甲醇-甲醇缠绕管式换热器计算流程进行编程迭代计算,对比分析计算数据并建立双股流低温缠绕管式换热器管束模型。研究表明:引入数值模拟方法可简化双股流缠绕管式换热器管束的缠绕工艺,获得双股流缠绕管式换热器结构总体设计参数并应用于建模过程。将所建模型及相应三维物理模型应用于传热工艺计算过程,可通过编程计算并优化双股流换热整体设计计算过程。

管壳式换热器弓形折流板的结构优化

为研究某高温烟气急冷器空气二次冷却系统的流动与传热特性,建立了管壳式换热器简化模型,运用ANSYS软件进行数值模拟,分析了折流板数量、相对缺口高度、折流板间距和换热器进出口管布置方式对换热器性能的影响。结果表明:折流板数量越多,相对缺口高度越小,换热器压降越大,换热系数越大,综合性能指标越小;高温区域折流板间距小、低温区域折流板间距大的换热器比等间距折流板换热器平均换热系数提高了4.3%,平均综合性能指标提高了2.3%;空气出口管布置在热流体进口侧比布置在热流体出口侧平均换热系数提高了6.5%,平均综合性能指标提高了4.3%。

管壳式换热器折流板开孔流场特征及场协同分析

折流板是管壳式换热器最主要的结构之一,但流体介质容易在折流板背风侧产生一个相对静止的“流动死区”,影响换热器壳程的换热效果。因此,本文利用Fluent对换热器壳程折流板进行开孔研究,分析流体流动特征,同时利用场协同分析的方法对其进行了验证分析。结果表明:折流板开孔可有效减小换热器壳程背风区的“流动死区”,达到强化传热的效果。

载有螺旋扰流装置的直触式换热器结构设计

本文探讨直触式技术在高温烟气-低温液体间换热的应用研究。所开发直触式换热器主要由立式布局的上、下锅体组成,采用喷淋为主要换热方式,重点针对气-液间直触换热过程设计螺旋扰流装置。主要结构特点:通过螺旋式扰流盘所形成的过流通道,优化烟气流动路径,增大烟气行程的同时也能起到导流换热作用;通过给水供给机构,利用产出蒸汽预热水管,提高烟气利用效率。通过理论计算完成直触式换热器结构关键尺寸和性能指标的设计,设计出载有螺旋扰流装置的换热器,此装置结构紧凑、换热效率更高、避免了雾化和液滴漂移等不足,且具有提前预热、增大烟气行程等优势,可以更好地适用于小型工业生产和满足居民日常生活所需。

多股流缠绕管式换热器的结构分析

本文介绍了国内缠绕管换热器的发展历程及应用领域,介绍了多股流缠绕管式换热器的结构形式,不同结构的特点。针对这些特点进行分析,并重点介绍了多股流缠绕管式换热器的管板结构、中心筒的型式以及它们的优缺点,还介绍了这些特点的制造复杂性。

缠绕管式换热器全模型研究

缠绕管式换热器由于结构紧凑、换热效率高,在化工领域有广泛的应用,但其复杂性也为研究带来困难。利用mixture模型和相变模型构建了全三维尺度下的数值方法,实现了缠绕管式换热器壳程和管程流动、传热过程的计算。搭建了米级换热器实验及测试平台,建立了相应的全三维、同尺寸数值模型;采用Lee相间传质模型,实现了蒸发-冷凝模拟,获得换热器器件尺度传热系数和相变总量。计算的传热系数与实验测量值的相对误差为4.98%。基于所构建的全模型,数值研究了操作条件对传热特性和相变的影响,分析了换热段长度和缠绕管层数对传热性能的影响,为缠绕管式换热器的设计开发提供了数据和平台支持。

连续重整缠绕管式重整进料换热器管束堵塞原因分析及对策

泰州石化100万t/a逆流床连续重整缠绕管式重整进料换热器在投入生产两年时管程压差呈缓慢上涨趋势,运行后期压差值接近120kPa,管束出现堵塞现象,影响换热效果,导致加热炉、循环压缩机负荷增加。本文主要分析堵塞原因并提出相应的对策,对同类设备具有一定的借鉴意义。

螺旋缠绕管式换热器传热性能优化与计算程序开发

螺旋缠绕管式换热器作为新型换热设备,与传统换热器相比,更为紧凑的管排列方式,增大了设备单位体积内的传热面积,且流体流动过程更易多流股化,从而提升传热综合效率;对设备的传热特性进行研究并与计算机技术相结合实现性能优化与计算方法改善,对于实际设备设计生产与使用具有重要意义;通过计算流体力学(CFD)方式,对螺旋缠绕管式换热器进行简化计算模型结构工作并开展数值模拟,研究不同管排列方式,相邻管层间距,壳程流速,换热管使用材料在设备换热性能方面的影响情况,得到设备优化结构,实现设备性能提升;选定管内径,管缠绕圈数,壳程流速以及管缠绕半径4个因素及其相对应水平参数开展正交试验,并分析单因素对于绕管式换热器综合传热性能PEC的影响情况及各因素的主次程度;运用Visual Basic语言进行计算程序开发,通过对流体物性参数、管内径、管缠绕圈数及管程数等进行输入并自动计算,实现压降,传热系数,综合性能指数等结果的可视化,提高后期设计工艺计算精度。

基于流热固耦合的U型管式熔盐换热器温度场与应力场分析

熔盐换热器因其系统压力低、运行稳定以及经济性能好等特点在太阳能、核能和高温制氢等领域得到广泛应用。由于熔盐运行温度高,冷热流体温差大,导致熔盐换热器主要部件中产生的热应力不可忽略。本文采用流热固耦合方法分析U型管式换热器的温度场与应力场,首先运用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析获取了换热器主要热性能参数,并与实验结果进行对比,最大偏差约3.07%,验证了CFD流体仿真结果的准确性。在此基础上,对熔盐管壳式换热器运行工况下的传热过程进行了详细分析,获得换热器流场和温度场。最后,通过Ansys workbench有限元软件计算得到由流场、压力场和温度场耦合产生的应力场,并着重分析了与换热管及壳体相连接的管板的应力分布,给出了管板最高应力值及某些路径的应力变化规律。结果表明:应力较大的部位发生在管板的布管区与非布管的连接区域,位于近壳侧的换热管内壁处,距离管板下端面约2 mm的位置。可为熔盐换热器实际运行和结构设计提供重要参考。

缠绕管排列方式对缠绕管式换热器内壳程流场影响的数值模拟

采用SolidWorks建立了3种不同换热管排列方式缠绕管式换热器的物理模型,利用Fluent流场模拟软件,考察了缠绕管式换热器内管排列方式及入口流速对壳侧流动、传热性能的影响。模拟结果表明:与平行排列方式相比,采用错位排列方式时由于缠绕管的导流作用,管间存在较大的径向速度,促进缠绕管外侧流体与缠绕管周围流体的混合,管后低速区面积亦大大减少,强化了流体传热;温度分布更加均匀。基于换热器评价体系对模型进行了评价比较,入口流速超过0.3m·s^(-1)时,错位排列的换热器的努塞尔数最高、平行排列最低;交叉排列的换热器的阻力系数比其它两种方式略高;PEC指数计算结果表明:错位排列方式的PEC指数最高,当入口流速为0.9m·s^(-1)时,大约高出25%,具有更好的传热性能。

弓形折流板换热器流动与传热性能的数值模拟

为了探究折流板结构对换热器整体性能的影响,课题组通过FLUENT模拟分析弓形折流板板间距以及缺口高度占比这2个关键变量,得到不同条件下换热器流场和温度场的分布情况,并以换热系数h、压降ΔP以及综合性能参数η作为换热评价指标,研究了不同结构参数对换热性能的影响,并分析了2个关键变量之间的关联性。结果表明:随着板间距的减小,流动与传热“死区”区域变小,换热系数及壳程压降增大,板间距较小的换热器在低入口速度工况下综合性能相对较好;当板间距为185 mm时,换热系数和压降随板缺口高度占比的增大而减小,此时选择缺口高度占比为0.30可获得较佳综合性能;另外,通过研究2个变量间的关系发现板间距较小时应选择相对较大的缺口高度占比以保证其较优性能。

缠绕管式换热器壳程高黏度流体流动及换热性能强化研究

为解决高黏度介质在缠绕管式换热器等紧凑型换热器中换热效率较低的问题,提出了一种新型扰流元件,流体在壳程管束间的流动形式为多圆柱扰流,此扰流元件可影响管束形成的尾流场,改变流体在壳程的流动形态,进而增强高黏度流体的综合换热性能。通过数值模拟方法计算得到新型结构壳侧努塞尔数相比于传统结构可提高5.1%~8.4%,摩擦因子升高1.3%~3.3%,综合换热性能可提高4.6%~5.2%,并进一步研究了扰流元件各结构对目标参数的影响。以上研究对改善高黏度介质在缠绕管换热器内的流动及换热性能提供理论依据,拓宽了紧凑式换热器的应用范围,使得高黏度介质在紧凑式换热器中同样可以达到理想的换热效果。

缠绕管式换热器结构参数多目标优化数值模拟研究

为分析缠绕管式换热器关键几何结构对其流动和传热性能的影响,采用多目标遗传优化算法对壳侧的流动和传热特性进行了数值模拟研究,并对通过中心复合设计得出的实验点进行了计算。研究结果表明:缠绕管式换热器的壳侧压降随着层间距、缠绕角、同层管间距的增大而减小;壳侧换热系数随着层间距的增大而减小,随着管外径的增大而增大,随着螺旋角的增大先增大后减小。通过敏感度分析可知:螺旋角和层间距对缠绕管式换热器的流动和传热性能影响最大,在计算工况下,层间距对压降和换热系数都呈负相关;螺旋角与压降呈负相关,与换热系数呈正相关。同时,应用多目标遗传算法在连续响应面的基础上对原结构进行优化,得到3组优化结果,换热系数平均增加了2.93%,压降平均降低了40.27%,综合传热性能均好于原结构。该研究成果可为缠绕管式换热器的优化设计提供理论基础。

LNG缠绕管式换热器试验研究中的热物性计算方法

在基本负荷型的LNG工厂中,多股流缠绕管式换热器是应用最广泛的主低温换热器,多组分介质在管程和壳程的传热与流动特性是主低温换热器试验研究的关键,而混合介质的热物性(密度、动力黏度、导热系数、比热容)对试验研究的影响较大。为此,在考虑了压力对气态混合物热物性计算影响的情况下,对气态和液态混合介质的4种基本热物性的计算方法进行了提炼、集成,并将计算结果与HYSYS的计算结果进行了比较,结果表明:相关的热物性计算方法是可行的,计算误差均控制在工程允许范围内。该计算方法为国内开发大型冷塔提供了技术支撑,有助于早日实现LNG缠绕管式换热器冷塔的国产化。

多股流板翅式换热器的微分与优化数值研究

采用微分计算模型对多股流板翅式换热器的优化设计问题进行了研究 ,提供了一种有效的通道排列方法 ,并编制出了相应的计算程序 .利用该程序 ,对不同初始长度和不同片厚的多种情况进行了计算 .计算结果发现 ,换热器初始长度对最终的收敛长度没有影响 ,但片厚对计算结果的影响较大 .

垫条排列形式对缠绕管式换热器流动和传热性能的影响

针对缠绕管式换热器的结构特点,研究了垫条的不同排列形式对缠绕管式换热器流动和传热性能的影响。结果表明:当垫条交错式排布时,在黏性力的作用下低流速区域的流体会流向高流速区域,并且在垫条的附近有旋涡生成,增强了相邻管层间流体的相互作用。与没有垫条的模型相比,对齐分布的垫条和交错式的能够使压力降分别增大15.94%和39.03%。交错式分布的热性能参数大于1,而对齐分布的参数值小于1,表明交错式分布能够提高缠绕管式换热器的性能。但是垫条的数量对流动和传热的性能影响不大,当垫条的数量从12增加至15时努塞尔数Nu的变化范围是-1.0%~3.0%。

结构参数对缠绕管式换热器管侧换热影响模拟研究

缠绕管式换热器具有结构紧凑、可同时进行多种介质换热、操作压力高、热膨胀可自行补偿、易于实现大型化等特点,是大型天然气液化工厂首选主低温换热器。在设计计算中,需要确定缠绕管式换热器的几何结构和尺寸大小,以便能在一定条件下满足一定的热负荷。因此本文给出了一个简单的管侧流动与换热数值模拟模型并与已有文献中的实验数据进行了对比验证了该模型的准确性,采用该模型模拟了不同结构参数下缠绕管式换热器管侧甲烷流动,通过正交试验分析,得到了一组较好的管侧结构参数,为缠绕管式换热器的设计提供了一个参考。