強化型波紋管傳熱過程若干關鍵技術問題研究.pdf

1、換熱設備在核工業(yè)、能源、石油、化工、電力等行業(yè)應用十分廣泛，在節(jié)能降耗上起著重要的作用。強化傳熱過程及其裝備的設計理論研究是傳熱學、流體力學、彈性力學、機械設計理論和熱能工程領域的重要研究課題。強化型波紋管換熱器是一種優(yōu)良的強化傳熱裝備，它通過流通截面周期性變化的強化型波紋管作為換熱元件，傳熱系數大大提高，換熱能力提高2-3倍，具有重要的應用價值。但其工藝過程中的傳熱、流體阻力、強度、剛度、穩(wěn)定性、振動特性等理論問題沒有得到根本解決。

2、 本文利用傳熱學、流體力學、彈性力學、振動力學、有限單元法以及實驗測試技術對波紋管管內液體傳熱特性、管內流阻特性、波紋管的強度剛度穩(wěn)定性、波紋管振動特性以及波紋管管板強度等問題進行了研究。 分析了對流傳熱的主要影響因素，說明了波紋管強化傳熱的機理。認為對流傳熱熱阻的主要在邊界層，波紋管強化傳熱的關鍵在于流體對邊界層的擾動和沖刷，減薄和破壞了邊界層。提出了確定截面平均物理量的體積流量平均法以及根據波紋管內流體速度分布和溫度分

3、布推算波紋管局部對流傳熱系數和努塞爾數的方法，推導了根據波紋管內速度分布和溫度分布來求解局部對流傳熱系數和努塞爾數的公式，所得結果對傳熱研究具有普遍的指導意義。用所提出的方法得到了特定規(guī)格波紋管管內傳熱的準則方程，表明波紋管的傳熱系數是相應的光滑直管的2.5倍多，并且波紋管的尺寸加工誤差對傳熱性能影響不大，這些結果對波紋管傳熱過程的工程應用具有重要意義。 用因次分析法得到波紋管流動阻力系數與流體流動狀態(tài)及波紋管無量綱尺寸之間的關

4、系，對波紋管的流動阻力研究具有普遍的指導意義。結合實驗與數值研究，得出了特定規(guī)格波紋管的流動阻力系數表達式，對其工程應用具有重要價值。 對波紋管進行了實驗和數值應力分析，結果表明，光滑直管經成型加工制成波紋管后，應力分布復雜化，并明顯大于成型前的光滑直管的應力。波紋管屈服壓力比成形前明顯降低，但爆破壓力與成形前的光滑管基本相同。由于波紋管的制造尺寸偏差及劇烈的形狀突變，實驗應力分析結果和數值分析結果雖然不能較好地反映實際情況，但

5、能定性確定波紋管的應力分布情況，對進行進一步分析有重要參考價值。提出波紋管的強度安全性分析的爆破設計準則，具有重要的應用價值。 用實驗方法研究了波紋管的軸向剛度，發(fā)現波紋管的軸向變形根據變形量大小分四個階段，因而有4個剛度數據。波紋管的軸向變形即有拉伸作用的貢獻，又有彎曲作用的貢獻，其剛度與厚度的關系介于兩者之間，研究結果表明，波紋管的軸向剛度與長度成反比，與厚度的1.5次冪成正比。根據波紋管軸向剛度研究，提出了波紋管換熱器管板

6、的強度分析的當量彈性模量法，對波紋管換熱器的工程應用具有重要意義。 用實驗方法研究了波紋管的外壓穩(wěn)定性，表明波紋管的外壓穩(wěn)定性比相應的光滑直管好，提出在波紋管結構安全分析中可以保守地按光滑直管進行外壓穩(wěn)定性計算。推導了光滑直管的軸向臨界壓力計算公式，分析了波紋管的幾何特點和穩(wěn)定性彎曲微分方程的特征，提出了波紋管的軸向穩(wěn)定安全性分析的當量抗彎剛度法，在進行波紋管穩(wěn)定安全性分析時可將波紋管當量化成具有相同抗彎剛度的光滑直管。得到了特

7、定規(guī)格的波紋管當量抗彎剛度表達式。 根據換熱器中換熱管的三種支承邊界條件，推導了光滑直換熱管的橫向振動固有頻率。對換熱管振動微分方程的特征和波紋管的幾何特點進行分析，提出了當量抗彎剛度和當量單位長度質量的概念，認為分析波紋管振動特性時，可把波紋管當量化成具有相同橫向抗彎剛度和單位長度質量的光滑直管。對管外流體橫向繞流管子的問題進行了定性分析，指出流體橫向繞流光滑直管和橫向繞流波紋管雖然有差別，在波紋管波峰不是很大時，這種差別不會