高参数螺旋板式换热器的稳定性研究及结构优化

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螺旋板式换热器作为一种典型的紧凑式换热器,因其热回收率高、自洁能力强、制造成本低、结构紧凑等特点在化工、能源等行业中有广泛应用。螺旋体是螺旋板式换热器的主要承压元件,同时受到内压和外压的作用,两螺旋通道之间有按一定间距排列的定距柱支撑,当两通道内压力差达到承载极限时,螺旋板会出现失稳。目前,随着石油、化工等行业产能需求不断增大,螺旋板式换热器正向着单台大型化、压力高参数的趋势发展,高压力参数的工况超出了NB/T 47048-2015《螺旋板式热交换器》的设计范畴,缺少相关的设计依据。本文针对高参数螺旋板式换热器的外压稳定性展开研究,以有限元屈曲分析方法及回归分析数值统计方法研究其极限承载能力,为高参数螺旋板式换热器的外压稳定性设计提供参数设计指导。本文的具体研究内容如下:(1)研究了高参数螺旋板式换热器外压稳定性的分析方法。针对螺旋板式换热器的最危险工况,将螺旋体的螺旋结构简化并建立有限元模型,将非线性屈曲分析结果与实验值进行比较。研究结果表明,非线性屈曲分析结果与实验值之间的最大误差为9.13%,在10%以内,本文采用的简化模型和非线性屈曲分析方法对螺旋板外压稳定性的研究是合理的。(2)研究了影响螺旋板外压稳定性的结构参数。对带定距柱螺旋板的承压能力进行理论分析,并通过正交设计和非线性屈曲分析,研究各结构参数与螺旋板临界压力之间的相关性,研究结果表明,影响螺旋板式换热器外压稳定性的结构参数为螺旋板曲率半径R、螺旋板厚度S、螺旋板宽度L、定距柱间距t、定距柱直径d,并将其无量纲化后,得到无量纲参数、、。(3)研究了高参数螺旋板式换热器的极限承载能力。对无量纲参数、、进行单因素分析,研究各无量纲参数与螺旋板临界压力之间的影响规律。以无量纲参数为自变量,进行多元线性回归分析和多元非线性回归分析,研究不同定距柱排列方式的螺旋板临界压力的拟合公式。结果表明,多元非线性回归分析的效果优于多元线性回归分析,得到的拟合公式计算值与有限元值之间的误差在10%以内,符合工程应用的设计精度,能为螺旋板式换热器的参数设计提供指导。(4)对比分析本文的拟合公式与解析法、图算法计算值的准确性,结果表明,拟合公式的误差最小、效果最好,解析法仅适用于弹性失稳,在塑性失稳阶段误差超出100%,图算法在高压力工况的临界压力值过于保守,不适用于高参数螺旋板式换热器的设计。
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