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1 绪论 1

1.1 换热器在工业中的应用 1

1.2 换热器的分类及特点 1

1.2.1 管式换热器 2

1.2.2 板面式换热器 6

1.2.3 其它型式换热器 8

1.3 换热设备特性与选型 9

1.4 近代研究成果及发展趋势 10

1.4.1 管壳式换热器的发展趋势 10

1.4.2 纵流壳程换热器的发展前景 12

1.4.3 紧凑式换热器的发展趋势 12

1.4.4 换热网络的研究进展 13

1.4.5 换热器相关技术发展动向 13

2 纵流壳程换热器结构 16

2.1 概述 16

2.2 管程及换热管的排列方式 16

2.2.1 管程分程 16

2.2.2 管板 17

2.2.3 管箱 18

2.2.4 换热管排列方式 19

2.3 管束及支撑结构 20

2.3.1 高效换热管 20

2.3.2 新型管束支撑 23

2.4 流体分布结构 27

2.5 其它各部分结构 29

2.5.1 膨胀节 30

2.5.2 防冲板 30

2.5.3 防短路结构 31

2.5.4 拉杆与定距管 31

3 流体流动及阻力计算 33

3.1 流动型态的分布 33

3.1.1 流动型态的描述 33

3.1.2 管内外流体流态分布 33

3.1.3 管壳式换热器壳程流体流态分布 35

3.2 流体阻力计算的一般方法 42

3.2.1 流体阻力概述 42

3.2.2 直管阻力损失及换热器管程阻力损失 43

3.2.3 折流板换热器壳程阻力损失 44

3.2.4 允许压降的选取 45

3.3 纵流壳程换热器壳程流体流动阻力计算 45

3.3.1 Phillips石油公司的设计方法 45

3.3.2 郑州大学热能工程研究中心的设计方法 46

3.3.3 其它设计方法 47

4 传热及其计算 49

4.1 传热的一般概念 49

4.1.1 传热学概述 49

4.1.2 热量传递的基本方式 49

4.2 传热过程的基本公式 51

4.2.1 平板两侧传热过程 51

4.2.2 圆管两侧传热过程 52

4.2.3 热阻 52

4.2.4 污垢热阻 53

4.3 热传导 53

4.3.1 热传导的方程及计算 53

4.3.2 非定态热传导 57

4.4 对流换热 57

4.4.1 概述 58

4.4.2 无相变对流换热 59

4.4.3 自然对流换热 63

4.4.4 有相变传热 65

4.5 换热器壳程传热系数关联式 69

4.5.1 折流杆换热器壳程传热系数关联式 69

4.5.2 折流板或无折流装置换热器壳程传热系数关联式 74

4.6 换热器工艺计算 74

4.6.1 设计计算基本步骤 75

4.6.2 相关计算与选择 77

4.7 纵流壳程换热器传热计算示例 81

4.7.1 壳程流体参数 81

4.7.2 管程液体参数 82

4.7.3 总的热交换量 82

4.7.4 筒体参数、布管及传热系数 82

4.7.5 核算K及传热量 84

5 纵流换热器元件强度计算 86

5.1 概述 86

5.2 换热器强度计算与分析基础 86

5.2.1 解析法计算理论基础 86

5.2.2 管板强度计算的理论基础 89

5.2.3 有限元理论基础 90

5.3 筒体、封头、法兰及开孔补强设计 92

5.3.1 筒体强度计算 92

5.3.2 封头强度计算 95

5.3.3 法兰强度计算 96

5.3.4 开孔补强 101

5.4 管板计算 103

5.4.1 影响管板应力计算的因素 104

5.4.2 几种管板强度设计标准 104

5.4.3 管板强度计算 106

5.4.4 薄管板技术 109

5.5 膨胀节计算 110

5.5.1 膨胀节的设置 110

5.5.2 U形膨胀节应力计算 112

5.5.3 ANSYS软件在膨胀节中的应用 114

5.6 组合结构强度分析 114

5.6.1 用解析法计算纵流式组合式换热器 115

5.6.2 ANSYS软件在组合式换热器中的应用 120

5.6.3 实验 123

5.7 换热器中H形结构分析 124

5.7.1 H形结构的理论分析 124

5.7.2 H形结构强度的数值分析 127

5.7.3 H形结构计算结果及分析 130

6 纵流壳程换热器的制造 131

6.1 概述 131

6.1.1 材料 131

6.1.2 纵流壳程换热器的加工工艺 131

6.1.3 换热器的装配流程 134

6.2 强化换热管的制造 134

6.2.1 螺旋槽管的制造 134

6.2.2 翅片管的制造 135

6.3 管束的制造与装配 136

7 纵流壳程换热器的优化 138

7.1 概述 138

7.1.1 目标函数与数学模型 138

7.1.2 设计变量 139

7.1.3 约束条件 140

7.2 最优化问题的求解方法 140

7.2.1 一维优化搜索方法 141

7.2.2 无约束优化问题的求解 142

7.2.3 线性规划问题的求解 144

7.2.4 约束优化问题的求解 145

7.3 变尺度优化原理及程序 148

7.4 模糊优化原理及程序 149

7.4.1 发展现状 149

7.4.2 基本概念 150

7.4.3 多目标与模糊优化 151

7.4.4 模糊线性规划方法 152

7.4.5 多目标模糊优化问题的解法 152

7.4.6 纵流壳程换热器中应用模糊优化的探讨 153

7.5 优化问题的数值计算 154

7.5.1 优化方法程序库OPB 154

7.5.2 MATLAB优化工具箱 155

7.6 工程应用及示例 158

8 纵流壳程换热器计算机辅助设计 162

8.1 概述 162

8.2 管壳换热器计算机辅助设计 164

8.3 纵流壳程换热器计算机辅助设计 164

8.3.1 纵流壳程换热器CAD开发理论 164

8.3.2 纵流壳程换热器CAD系统的分析建模 166

8.3.3 纵流壳程换热器CAD系统的设计建模 173

8.3.4 纵流壳程换热器CAD系统的数据库 174

8.3.5 纵流壳程换热器CAD系统的开发环境及用户界面 176

8.3.6 纵流壳程换热器CAD子系统 178

8.3.7 纵流壳程换热器CAD系统的参数化图形技术及三维造型技术 185

8.3.8 纵流壳程换热器CAD系统集成技术 188

8.3.9 换热设备CAD/CAE系统的集成 194

9 纵流壳程换热器流体流动和传热的仿真模拟 199

9.1 概述 199

9.1.1 引言 199

9.1.2 数值计算方法的进展 200

9.1.3 换热设备数值模拟技术进展 204

9.2 流体流动和传热的数学描述 207

9.2.1 流体运动的基本方程 208

9.2.2 湍流方程模型简介 210

9.2.3 多孔介质模型简介 213

9.2.4 换热器流动与传热的数学模型 215

9.3 流体流动与传热仿真模拟的数值实现 219

9.3.1 一般Galerkin有限元法 219

9.3.2 有限元方程的解法 222

9.3.3 换热器流体流动与传热数值模拟的程序实现 224

9.3.4 通用商业CFD软件简介 226

9.4 换热器导流筒的数值仿真与模拟 226

9.4.1 计算模型的建立与计算参数的选择 227

9.4.2 导流装置内流场的计算结果与分析 229

9.4.3 夹套式变截面导流筒的结构优化 232

9.5 基于周期性单元流道计算模型的换热器数值模拟 235

9.5.1 模型的建立与合理化验证 235

9.5.2 流体流场显示和细观分析研究 240

9.5.3 流体温度场显示和分析 241

9.5.4 结构参数变化对流动和传热性能的影响 242

9.6 基于周期性全截面计算模型的换热器数值模拟 245

9.6.1 周期性全截面计算模型的模拟结果 245

9.6.2 折流杆换热器壳程对流传热系数和压降的模拟修正 247

9.6.3 实现新结构形式的管壳式换热器的开发 248

参考文献 249