导热复合材料紧凑型板壳式换热器关键技术研究

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1、郑州大学博士学位论文摘要针对腐蚀环境的广泛存在及其对设备的苛刻要求，本文研发了一种新型的耐腐蚀高效换热器，通过理论分析、有限元数值模拟和实验手段，对导热复合材料紧凑型板壳式换热器的关键问题作了系统的研究。论文主要工作包括：1．自主研发的导热复合材料紧凑型板壳式换热器，换热效率高，显著减少所需设备台套数，同样处理量下，约为石墨列管式的1／5；特别适用于一侧有相变的介质环境，换热器芯体的压降不足进口压力的5％；板翅式结构不仅在1MPa的工作载荷下强度问题可靠，而且变形量很小，保证两侧换热面积的稳定，从而保证传热系数的相对稳定。通

2、过换热器性能评价和经济性评价，说明选用新设备是很有工程意义的。2．综合前人的实验结果和理论分析，论文首次推导了短纤维增强复合材料的强度混合法则公式和热导率估算公式，通过建立数学模型正确估计各种参数对强度和导热性的影响规律；利用ANSYS的参数化有限元分析技术对石墨填充PTFE复合材料导热性能进行数值研究，结合实验结果，为PTFE复合材料的导热性能设计提供了参考依据；综合考虑力学性能和导热性，确定了本论文的换热器设计所需的耐腐蚀导热复合材料的配方，并预测了其力学性能和导热性。3．通过对板翅结构的全参数化有限元数值模拟，获得了一

3、系列数据，分析了翅片和隔板中应力与结构参数的关系，结果表明翅片和隔板中应力值较原经验公式的计算值小，随着m／tf的值增大，FE值与经验值的差呈增大趋势，尤其是隔板中的应力与原公式的规律也存在明显差别，已不能采用原有的公式结构。利用数据拟合技术，获得了新的翅片和隔板应力计算工程关联式，可作为板翅式结构设计的参考依据，是对现有紧凑型换热器板翅式结构设计规范的有效补充。4．研究了各种不同形状的毛边对胶结接头应力分布和应力峰值的影响。毛边的存在改变了最大应力区在接头中的位置和应力分布规律，也使应力峰值明显下降，而且不同的毛边形式对应

4、力峰值的下降程度不同；合理的毛边不在于毛边材料的多少，更主要的是如何形成合理的形状；三角形和凹圆形毛边对降低应力峰值效果最为显著，而三角形毛边在工艺上最容易获得，且具有优化设计的空间，在优化的几何尺寸下，其三种应力分量的值都很小。确定三角形毛边为优选毛边方案。5．对三角形毛边胶结接头进行了一系列优化设计。优化结果表明，随着隔板厚度的增大，胶层厚度逐渐增厚，而夹角减小；同时还发现，当胶层厚度取0．3mm，夹角郑州大学博士学位论文取30。时，无论接头结构尺寸如何变化，应力峰值始终处于较低的水平。说明将胶结接头控制在这样的尺寸下，

5、即使不是最优尺寸，也能获得很好的工艺效果。6．对基于流体动力学模拟的优化设计方法进行了有益的探索，优化后的斜截面导流筒结构尺寸使得入口流速更加均匀对称。7．对于特殊开口的封板，用高等材料力学和弹性力学理论对其开口区和环板区进行分析，归纳出封板中的应力影响因素，提出工程关联式模型。通过三维有限元计算，并对关键区域作路径分析，获得了封板的应力分布规律。实验结果验证了数值模拟的有效性。以不开口区的环板上的最大综合应力为研究对象，对封板进行参数化数值分析，并对数值模拟结果进行数据处理与拟合，得到了封板强度计算工程算式，为新产品的工程

6、应用提供参考。关键词：聚四氟乙烯；复合材料；紧凑型板壳式换热器：有限元分析；优化设计；胶结接头；导流筒；封板郑州大学博士学位论文ABSTRACTAimedatthewidelyoccurringcorrosiveenvironmentanditsrigorousrequirementtOequipments，anewefficientanticorrosiveheatexchangerisdeveloped．Byusingthetheoreticalanalysis，finiteelementnnmericalsimulat

7、ionandexperimentalmethods，somekeytechnologiesofthermalconductivecompositecompactplate-shellheatexchangerareresearched．Theachievementsinclude：1．Thehi．ghthermalefficiencyofindependentlydevelopedthermalconductivecompositecompactplate·shellheatexchangermayobservablyred

8、ucethecountofrequiredequipments，andwiththesameprocessingquantity,itsplaceisabout1／5ofthegraphitetubesheatexchanger．Itisespeciallyapplicabletothes