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1. 研究目的与意义
蜂窝夹套以优异的机械性能和传热性能被广泛应用于加热或冷却过程工业的各种容器,尤其在化工、制药、食品、环保等行业中得到推广和应用。
为满足蜂窝夹套在不同场合的应用,需要设计不同几何结构,从而满足工艺要求、施工要求、生产要求和经济要求。
然而不同的尺寸不同的结构要求带来了大量的计算分析,却多是重复同种设计方法。
2. 国内外研究现状分析
反应器以夹套传热广泛应用于化工、制药等领域。普通夹套使用于换热量不大的场合,贮液量大,传热速度均匀,温度梯度变化小。但是,普通夹套的传热系数小,热效率低,操作费用高[1]。而蜂窝夹套以其优异的机械性能和传热性能被广泛应用于加热或冷却过程工业。蜂窝夹套传热性能比普通夹套优越,将其应用于换热设备,可以得到较高的传热效率,同时还可以减薄夹套和内筒壁厚,从而降低了制造成本[2]。蜂窝夹套的间隙比普通夹套的间隙小,流通面积较小,流体在腔内流速显著增加。并且大量的蜂窝在夹套内具有扰流作用。蜂窝迫使流体流动方向和速度不断改变,使介质和蜂窝点不断相撞形成局部漩涡,体现流体在蜂窝夹套中周期性变化的流动、分离、漩涡、再附着的流动特性。流动漩涡能够引起流动不稳定或二次流,利用漩涡区与主流区形成的自由剪切层极不稳定的特性引起两处流体混合,从而促使流动在较低的雷诺数下由层流向湍流过渡,加速了热交换,大大增加传热效果[3]。
在我国,蜂窝夹套出现于20世纪90年代初期,上海森松压力容器有限公司[4]从日本森松公司引进了一套蜂窝夹套模具的生产设备,开始把蜂窝夹套应用于普通小型反应容器上。1999年,方人超等[5]利用制药厂中两台分别用普通夹套和蜂窝夹套的磺化反应釜进行生产状态下的使用比较,通过比较计算出热交换量和传热系数,发现蜂窝夹套换热效果比普通夹套好。从此,蜂窝夹套因其优点被广泛接受,并处在不断研究发展的过程中。从设计与制造两个方面的研究是蜂窝夹套发展的主流方向。其设计发展最早出现在我国啤酒行业技术改造中,吸取国外成功经验完成了新型螺旋板式蜂窝点冷却夹套反应器的开发[6]。1995年,郝锦晋[7]对啤酒发酵罐上的蜂窝夹套的钢结构进行了探讨。2001年,华东理工大学刘蕙颖[8]通过有限元软件ansys对蜂窝夹套分析后发现,在分析蜂窝夹套强度时必须考虑蜂窝几何结构参数对结构强度的影响。2003年,浙江大学蒋家羚、林兴华等人[9]对实际蜂窝夹套结构进行分析和应力应变测量分析得出,内筒和夹套环向变形相互协调,共同承担内压和夹套压力引起的环向载荷,轴向切面内夹套非连续体,夹套不承担内压力引起的轴向载荷。2005年,南京工业大学丁昌勇[10]采用有限元方法对蜂窝夹套结构结构进行强度分析和结构设计,研究展示了蜂窝夹套的应力分布,并结合薄膜蒸发器制造应用特点分析了普通夹套、叉排蜂窝夹套、顺排蜂窝夹套的径向变形于轴向变形。2009年,杜海英等[11]分析了蜂窝夹套薄膜蒸发器在生产制造和使用过程中可能出现的失效隐患,提出了一些改进措施,并用大型分析软件statistica对蜂窝夹套强度的影响因素进行了分析。同一年,杜海英与尹侠[11]通过ansys软件对蜂窝夹套结构进行三维应力分析,将结果与t20569-94对比分析,为进一步完善蜂窝夹套结构的强度设计开辟了一条新路。在制造角度的改进起于2001年,裴峰等[12]对蜂窝夹套的焊接方法做出主要贡献,提出了焊接新方法和焊接强度计算方法。随后在2002年,南京化工厂顾晓华等[12]讨论了蜂窝夹套结构设计及焊接工艺,并通过爆破实验提出了焊接接头型式和尺寸的改进意见,对蜂窝夹套设计于制造有较好的指导意义。2011年,刘宝庆等[13]通过有限元分析方法,从压力鼓胀的高度对激光焊蜂窝夹套的生产提出改进。
在国外,文献中关于蜂窝夹套的研究基本是关于蜂窝夹套平板蒸发器结构的研究[14]。在2001年,john garvin[15]根据蜂窝夹套生产厂提供的用户使用手册,给出了传热系数k的计算公式和预测蜂窝夹套换热效率及压力损失的通用计算方法。
3. 研究的基本内容与计划
研究内容:采用cfd数值模拟的方法,分析不同的几何条件时蜂窝夹套内部流场的流动状况,建立模型,划分网格,定义边界条件,求解计算,分析结果,完成软件设计和论文撰写。
时间安排:
1-3周:调研及查阅文献,翻译外文资料写出开题报告;
4. 研究创新点
无
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