1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、研究背景

能源是经济社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础，是人类赖以生存的必要条件。20世纪90年代以来，能源供求之问的矛盾不断加大，为保证GDP年均增长8%，面临能源供应保持每年递增4%左右的压力^[1]。现阶段，经济放缓，而环境问题日益突出，而煤炭在中国能源消费结构中占有主导地位，且常年居高不下，所以在此大环境下，节能问题尤为突出。如果能在各个环节，提高能源利用率，不使热量白白流失到大气中去，不仅可大大减少煤、油、燃气等一次能源的消耗，也可减轻对环境的污染。换言之，强化传热, 提高换热效率, 是节约能源的极其重要的措施。

强化传热是20 世纪60 年代发展起来的一种改善传热性能的技术。它的任务是促进和适应高热流量传热,以达到采用经济的设备传输特定的热流量, 或者采用最有效的冷却方式保护高温部件的安全运行。强化传热可减小传热面积, 从而降低换热器的体积和重量, 提高现有换热器的传热能力,使换热器能在较低温差下工作, 能够减小换热器的阻力^[2-4]。近五十年来，人们在不断的尝试各种各样的换热器，尽管目前，管壳使换热器因其完善的理论研究和技术，在石油、化工、制冷、冶金等领域仍处于主要地位，约占70%，但是随着新材料的诞生，新工艺的产生以及实验的深入，在新型高效换热器的开发领域也有了许多进展，目前在发达的工业国家换热设备在炼油厂中约占全部工艺设备投资的35%#8212;40%，其中30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管等设备。如今,基于计算机技术的热流分析已经用于自然对流、剥离流、振动流和湍流热传导等的直接模拟仿真, 以及对辐射传热、多相流和稠液流的机理仿真模拟等方面。在此基础上, 在换热器的模型设计和设计开发中, 利用CFD 的分析结果和相对应的模型实验数据, 使用计算机对换热器进行更为精确和细致的分析和改良。

作为一种节能设备, 换热器不仅是保证加工过程正常运转不可缺少的设备, 而且就金属消耗、动力消耗和投资来说, 其在整个工程中所占有比例很大。据统计, 换热器的投资约占全部设备投资的40%。因此, 从节能、节材和节约资金角度来说, 如何选用换热器已不可避免地成为每个工程设计人员面临的问题^[5]。

波纹套管换热器因其换热管采用波纹形式，管内流道截面连续不断地突变，造成流体即使在流速很低的情况下也始终处于高度湍流状态，难以形成层流，使对流传热的主要热阻被有效地克服，管内外传热被同时强化，因而传热系数很高。并且，与一般换热器相比，特别是对一般套管式换热器，由于流道内流体的高度湍流，使流体中的微粒难以沉积结垢，即使有少量污垢生成，使得堵塞不易形成。

二、波纹管

1.波纹管简介

波纹管是一种带横向波纹的圆柱形薄壁弹性壳体, 其生产历史已有一百多年。直到第二次世界大战时期, 才用作仪器、仪表的弹性敏感元件和各类管道的联结元件, 现已广泛用于矿山、石油、化工、冶金、电力、热力、航海、航天等工程设备中, 起密封、吸振、降噪、储能、热补偿和介质隔离作用。波纹管有多种形式, 就波的形状而言, 以U 型波纹管应用最为广泛, 其次还有C 型、型、矩形和S型等。其主要性能是其柔性, 但柔性受到其强度和稳定性的限制。为了保证波纹管的耐压力, 可增加其壁厚, 但柔性随之降低, 达不到补偿位移、吸振降噪的作用;若通过增加波数来增加柔性, 则面临柱失稳问题;若通过增加波高来增加柔性, 则导致应力幅值提高, 强度削弱, 疲劳寿命降低, 还存在平面失稳问题^[6]。

2.波纹管的结构参数

波纹管管壁上依次交替出现的波峰和波谷，导致流道中流体的速度和压力周期性变化，变化过程产生的强烈扰动，破坏流体的边界层，使边界层减薄，使其传热系数明显高于直管，但这种周期性变化和扰动也会使流动阻力明显增大。波纹管主要有5 个结构参数( 图1) : 直线段外径 、弧形段外径、直线段长度 、弧形段长度 和壁厚^[7]。

3.波纹管研究现状

在不同工况下对波纹管进行应力-应变的分析是评估其对各种工况承受能力的基础和重要组成部分。20 世纪70 年代之前的结构分析主要采用解析法, 根据近似简单梁、近似圆柱体、近似壳体的假设,依据弹性理论得到波纹管壳体中的应力-应变值^[8]。随着计算机技术的飞速发展, 有限元分析在结构分析中的地位日渐突出,许多商用有限元软件应运而生。研究表明:利用非线性有限元分析, 可以较好地模拟真实波纹管的载荷-

图1 波纹管结构示意图

应力响应。用于单层波纹管的结构分析, 结果是可靠的, 并且与试验数据较为吻合。比如赵连生等用非线性有限元分析了单层U形波纹管的强度^[9,10]。随着研究的不断深入, 在对多层波纹管模型在轴向拉伸、内压和联合载荷下的应力分布的研究方面, 也取得了较大的进展。如陈晔等人利用ANSYS建立多层U型管模型，研究合理的设计方法^[11]。

波纹管作为一种高效能的传热元件^[12-13]，因其换热能力强、动态性能好、体积小重量轻、安全可靠等优点得到广泛应用，在多年的发展与迭代中促进了其设计、制造技术的趋于成熟,但是随着波纹管应用范围的不断扩大, 新工程问题(如波纹管抗震问题)不断出现,如波纹管换热管的设计和实际应用中发现，传热强化和阻力损失之间存在矛盾[14-16]。虽然对波纹的管设计研究已经取得了长足进展, 但还有许多内容有待进一步深入研究，如深入研究多层波纹管层间接触状况, 建立合理的非线性计算模型, 并通过试验验证提出合理的设计方法是今后波纹管研究的重要内容之一^[17]。

三、波纹管在套管换热器中的应用

1.套管换热器

套管式换热器的结构是两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，每一段套管称为”一程”，程的内（传热管）、外管分别用U 形肘管和短管依次连接成排,固定于支架上（见图套管式换热器的结构a）。热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。通常，热流体（A 流体）由上部引入,而冷流体（B流体）则由下部引入（结构如图1）。两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动(或同向)以达到换热的效果^[18]。当壳侧传热系数与管内传热系数相比较小时，强化壳侧传热就具有非常重要的意义。目前，强化套管式换热器壳侧传热的主要途径为改变管子外形或在管外加翅片，如螺纹管、螺旋槽管、外翅片管等强化传热技术^[19-20]。在换热管外表面加上这些翅片的主要目的是为了增大换热管的传热面积,同样，改变套管形状也可以同样达到增大传热面积的效果。如矩形管、椭圆管、三角形管等。这种换热器具有若干突出的优点，如结构简单，传热面积增减自如；传热效能高，效果好；适合于高压、小流量、低给热系数流体的换热等。所以至今仍被广泛用于石油、石油化工等工业部门。

图2 套管式换热器结构示意图

2.波纹套管换热器

传统的套管式换热器通常由标准构件组合而成，设计安装时不需要专门加工，通过增减直管的长度可方便的调整传热面积。但由于同心套管结构的传热系数较小，单位传热面积金属耗量多，造成套管式换热器换热效率不够高，占地面积庞大。欲显著提高其总体的传热系数，波纹管是一种较为理想的双面强化管^[21]。

换热量和阻力损失是衡量波纹管换热管性能的重要参数，影响这些参数的因素很多：直线段内径、弧形段外径、直线段长度、弧线段长度等。结果表明：同样长度的换热管，出的波纹管的热通量、内管阻力和环隙阻力分别可以达到光管的2-4倍；相同换热能力的情况下，采用波纹管套管式换热器的换热管长度可比普通光管的长度减少近三分之二，而阻力损失增大50%左右^[22]。此外，与光管相比, 在相同流动条件下波纹管可较大提高总传热系数^[23]，但随着雷诺数进一步的增大，强化效果逐渐减弱，并且，波纹管波幅的不同，对换热强化效果也有较大的积极影响^[24-26]。

此外，波纹套管换热器相对于光管换热器还有以下优点：(1) 防垢能力强^[27]。由于流道内流体的高度湍流，使流体中的微粒难以沉积结垢，即使有少量污垢生成，由于波纹管上存在管壳程温差应力而产生的应变，使具有弹性特征的波纹管曲率发生微观变化，从而使波纹套管换热器具有自然防垢和自然除垢的能力。介质在管内外强烈湍流对管壁冲刷强烈，另外波纹管表面的光滑弧线也能抑制水垢的生成和生长。(2) 较高的承压能力。由于换热管做成一个个的波纹形结构，比光管增强了其承载压力的能力，使其更适合在较高的压力下工作。但是对于椭圆形波纹管，其圆环圆度的大小,影响着波纹管的内压应力大小, 从而影响了波纹管的性能，所以在设计时，为保障其强度和寿命,对波纹管的圆度宜控制在较低值^[28]。

四、结语

由于套管式换热器是的广泛使用，其本身的传热效率的提高能为我们的工业生产提供更为高效和节能的生产方式，提高生产率，减少能源消耗，对于制冷、石化、化工、新能源等工业领域的生产率能起到至关重要的作用^[29]。随着国家环保节能、可持续发展政策的提出，人们环保意识的增长，新技术的日益更新，新材料的不断出现，国家和企业对新型高效环保节能的套管式换热器的要求将会越来越高。在设备工程中，节能环保始终排在优先地位，套管式换热器的设计也不例外，通过对套管式换热器的传热过程和传热系数的研究，波纹管套管式换热器改进了光管式套管换热器的工作效率，且传热性能更好，必将在工业中发挥越来越大的作用。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本毕业设计属于设计模拟类题目。在湍流条件下，利用HTRI设计一台套管换热器，用Fluent进行模拟，比较两软件的计算结果，确定计算模型，并使用Fluent模拟椭圆波纹套管换热器，分析其对传热强化的影响,最后设计一台套管换热器。

波纹管是通过圆管管壁的凸起与凹陷以增加近壁面流体的扰动减薄边界层厚度以强化传热，代价即为增加流动阻力。波纹管套管换热器是工业领域常用换热器形式，以往的研究多采用实验方法，耗时耗力，同时无法针对管内换热强化过程做深层次的分析。数值模拟的方法目前对单相流动和传热过程相对比较成熟，其计算精度可以满足工程要求。通过模拟的方法得到具有工程意义的参数，可以培养学生的工程概念，了解针波纹管流动与换热特性。

需要应用HTRI设计一台套管换热器，利用DM建立模型并用Fluent针对管内温度场、速度场和压力场进行求解,比较Fluent模拟结果与HTRI的计算结果，用Fluent模拟椭圆波纹套管换热器，分析其对传热强化的影响，并设计一台套管换热器，绘制出图纸。