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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OPB154

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