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板壳式换热器具有结构紧凑、传热效率高等优点,广泛应用于石油化工、食品、医疗等行业中。其运行的高效性、安全性和可靠性对这些行业的经济效益及可持续性发展起到重要作用。因此设计板壳式换热器时必须对其高效性、安全性和可靠性进行分析。板壳式换热器主要包括封头、壳体和板芯。这些组件的力学性能对整个换热器的高效性、安全性和可靠性分析过程起到关键性作用。据此,本文采用理论分析、数值模拟和实验方法对板壳式换热器封头、筒体和板芯的力学性能开展研究,最后对板壳式换热器进行安全评价。本文开展的研究工作如下:(1)采用弹性薄板小挠度理论对圆形平板封头不同半径处的环向应力和径向应力进行了理论分析,并与试验结果对比。结果表明,平板中心处环向应力最大,而边缘处径向应力最大,理论值和实验值误差在20%以内。(2)采用有限元方法对筒体壁厚方向的当量应力及危险点极限承载能力进行了数值模拟,并开展了试验研究。数值结果表明,在68MPa时筒体发生全屈服,此值与试验中筒体实际爆破压力62MPa相比,误差为4.4%;封头对筒体的承载能力有加强作用,在加强范围内,筒体的极限承载能力与长度有关,而在范围外则无关。对爆破断口进行了电镜扫描分析,结果表明试验筒体属于韧性爆破。(3)采用ANSYS Fluent并结合流固耦合方法对板芯板壳程进行了模拟分析。主要是分析在不同流速下温度场、压力场和速度场的分布情况,并通过FSI模块将温度场和压力场耦合到板芯板片上进行不同板壳程压差作用下板芯板片的流固耦合静力学分析。结果表明,在流速为0.4m/s-0.6m/s的工况下,板壳式换热器的换热效果最佳;板芯的最大承载压力为10MPa,此值与试验验证中板芯的失效压力10.8MPa比较吻合,误差为7%,表明数值模拟的计算结果具有一定的参考意义。(4)对板壳式换热器的故障数据进行了定量分析,发现换热板芯全焊接失效、密封失效、法兰失效和壳体失效的故障发生概率依次降低。利用故障模式与影响性分析方法对板壳式换热器的故障进行了定性分析,得到故障模式与影响分析表及相关的防范措施。