板壳式换热器板片应力性能分析及其安全性研究

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1、StudyonStressperformanceanalysisandsafetyofPlate-ShellHeatExchangerADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WangZhaotaoSupervisor：Prof.LuoXiaopingSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：X933.4学校代号：10561学号：201521002966华南理工大学硕士学位论文板壳式换热

2、器板片应力性能分析及其安全性研究*作者姓名：王兆涛指导教师姓名、职称：罗小平教授校外导师：李绪丰申请学位级别：工程硕士工程领域名称：安全工程论文形式：□产品研发□工程设计□√应用研究□工程/项目管理□调研报告研究方向：过程装备安全与节能技术论文提交日期：2018年4月15日论文答辩日期：2018年5月29日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：袁智（教授级高工）委员：陈国华（教授）游革新（教授）张永君（副教授）方江敏（副教授）*项目名称：板壳式换热器板片应力及焊接性能测试研究基

3、金号：x2jqD8152870摘要与传统的管式换热器相比，板壳式换热器具有结构紧凑、传热效率高等优点，广泛应用于机械、化工、食品、制冷等工业领域。板芯是板壳式换热器的换热和承压元件，它由结构相同的板片焊接而成。换热器运行过程中，板片两侧承受着较大的压差和温差，极易发生破裂。因此，对板芯结构的可靠性和运行的稳定性研究具有十分重要的意义。本文以IPS24型换热器板芯为研究对象，从数值模拟、实验验证和调研评价三个方面对板芯结构的可靠性和运行的稳定性研究展开研究，主要研究内容如下：（1）开展板壳式换热器板芯的承压试

4、验，采用弹性薄板理论对波纹板边缘处的环向应力和径向应力进行了理论分析，并与试验结果进行对比。结果表明，板芯中板片最大承受载荷是9.3MPa，板片边缘焊接处的环向应力和径向应力均表现为拉应力。（2）基于板壳式换热器的流动和传热机理，运用Pro/E软件建立了冷热双流道模型，运用Mesh软件进行计算域网格的划分，运用FLUENT流体分析软件进行三维数值模拟，分析得到了冷热双流道的温度、速度、压力分布规律以及换热器的流动形态、传热和压降特性。考察了不同流速对换热器传热系数和压降的影响以及板片厚度对不同流速下总传热系

5、数的影响，板间最佳流速为0.4～0.6m/s。（3）采用ANSYSWorkbench软件将FLUENT分析所得到结果文件作为载荷施加到波纹板片上进行结构静力分析。结果表明：波纹板片在热流体进口处等效应力最大，总形变区域在波纹板中间位置，板片能承受的极限压差是10MPa，这与板芯承压实验中失效压力9.3MPa较吻合，相对误差为7.5%，从本质安全性考虑板壳式换热器板片厚度可由原来的0.7mm调整到1mm。（4）将板壳式换热器的故障分为泄漏、污垢堵塞、管理及人为因素和其它因素引起的故障四个方面，建立运行故障评价

6、指标体系，运用模糊层次分析法对板壳式换热器常见的运行故障进行定量研究，得出板壳式换热器常见运行故障排列顺序，主要是结构不合理导致局部流速不稳定，污垢未及时清洗等，为工程应用提供一定的参考。关键词：板壳式换热器；承压试验；数值模拟；等效应力；模糊层次分析法IAbstractComparedwiththetraditionaltubeheatexchanger,Plate-Shellheatexchanger(PSHE)hastheadvantagesofcompactstructure,highheattra

7、nsferefficiency,andiswidelyusedinmachinery,chemical,foodandrefrigerationindustrialfields.Theplatecoreisthemainheatexchangerandpressure-receivingelementofPSHEandisweldedfromthesameplate.Duringtheoperation,thetwosidesoftheplatearesubjectedtoalargepressuredif

8、ferenceandtemperaturedifference,andeasytofracture.Therefore,itisofgreatimportancetostudythereliabilityandstabilityofthecorestructure.Inthispaper,wechoosetheplatecoreofIPS24heatexchangerplatetostudyitstherelia