选取工程中常用的管壳式换热器为研究对象,针对换热器中的结垢问题进行数值模拟和传热性能分析。换热器管程介质为常温循环水,壳程为高温减顶气。使用SolidWorks对换热器固体域和流体域进行建模,利用Fluent在相同工况条件下分别对换热器在管内结垢、管外结垢和壳内结垢等情形进行数值模拟,得到了换热器内的速度场、温度场和压力场分布,由此分析管壳式换热器的传热性能,并获得了污垢位置和厚度对换热器传热性能的影响规律。结果表明随着污垢厚度的增加,换热器的传热系数逐渐减小,结垢侧压降逐渐升高;换热管内侧结垢对换热器传热性能的影响最大,壳程内侧影响最小。

某管壳式换热器在使用过程中出现管束泄漏和断裂。通过对管材样品采用化学成分分析、金相组织分析、室温拉伸实验、形貌观察等方式研究了该型号换热器失效的原因。另外,根据该换热器的设计工况,针对其换热管振动时的机理,对换热管振动做了详细的分析。同时对振动机理的研究发现该换热器的工况处在流体弹性不稳定区域,流体弹性不稳定性使管束发生振动,在交变应力的作用下使管束发生疲劳破坏。

随着工业产业的飞速发展,工业中的换热器服役环境越来越苛刻,其管接头连接可靠性至关重要。以管壳式换热器的管接头为研究对象,运用ABAQUS有限元软件模拟液压胀接过程,对换热管管接头进行了蠕变分析计算,探讨了不同蠕变工况下换热管与管板接触面上残余接触压力的变化情况。研究结果表明,换热管与管板的过渡区是接头脆弱部分,接头在高温工作下随时间延长发生蠕变,残余接触压力先迅速降低然后趋于平缓,液压胀接接头性能在相对低温时受蠕变影响较大,影响程度与温度成正相关,在相对较高温度时出现蠕变饱和现象,蠕变效应不再明显增大。研究可以为管壳式换热器的设计及制造提供技术支持。

将换热器最严酷工况的表面温度数据添加到换热器的有限元数值模拟模型上，通过导热计算得出换热器各部分的热场分布，然后求出由于热场而产生的变形。将热场产生的变形与换热器结构场载荷而产生的变形进行耦合分析，这样就可得出换热器热-结构耦合场的变形和应力分布，从而验证换热器设计的合理性。

为了测试和研究管壳式换热器的性能,在现有的设计标准和规范要求下,结合传热学的测试原理和方法以及虚拟仪器技术,设计了一套管壳式换热器性能测试平台,介绍了测试平台的硬件系统和软件系统。利用PCI数据采集卡将各传感器测量的数据集中采集并实时传入计算机,计算机的开发环境采用LabVIEW软件,对数据参数进行处理并实时监控。该测试平台能够对管壳式换热器性能进行实时准确的测量,提高测试的效率,为进一步研究其性能提供强有力的实验支撑。

扭曲管是应用于制冷行业中新型管壳式换热器的高效换热管，强化了管内传热，壳程不设折流板以降低壳程流阻。本文通过数值模拟研究了扭曲管管内传热及流动特性。通过建立不同规格的扭曲管物理模型，得出扭曲管的扭曲程度S／d。越小、截面压扁程度Ai／Bi越大，扭曲管的强化传热性能就越好，但是同时流阻也会增大；反之则相反。

传统管壳式换热器的设计工作量大、效率低，设计方法比较粗糙，设计偏差较大。本文基于VB6．0编程语言，使用分段设计方法，开发出了管壳式换热器设计软件，该设计方法将换热器按照管壳程结构分为有限个单元，根据工艺条件，求解单元温度分布，依次对每个单元进行设计，进而完成整台换热器的设计，该方法充分考虑了介质物性随温度变化对设计的影响，设计结果与HTRI对比，误差很小。本软件可根据需要进行选型设计，也可以以总传热系数与总压降的比值K／△P为评价标准，选取性能最高的换热器结构，完成优化设计。