螺旋扁管套管换热器传热强化及其流阻性能研究

摘要

随着目前能源的日益紧张，人们越来越认识到节能降耗的重要性，研究各类传热过程的强化问题，设计、制造出高效紧凑式换热器，不仅是现代工业发展过程中必须解决的问题，同时也是开展节能和开发新能源的迫切任务。 螺旋扁管换热器是近20年以来各国科技人员在换热器领域所获得的最大成果之一，与传统的管壳式换热器相比具有压降小、传热效率高、不易结垢、易清洗、无折流板、无振动、成本低等优点。此外，螺旋扁管换热器的管程和壳程同时强化，通常比插入螺旋纽带的效果更好，其换热效率可以与板式换热器媲美。 本文以水为介质，研究了不同截面短长轴比B/A(B/A=0.3～0.5)和导程与直径比S/d<,e>(S/d<,e>=17～50)的螺旋扁管套管换热器传热和流阻性能。通过测量换热器管程和壳程流体的流量、进出口温度和管外壁温度，计算出螺旋扁管套管换热器和光滑管套管换热器的总传热系数、管程和壳程的努塞尔数和传热膜系数。直接测量了管程和壳程的压降，并计算出阻力系数。通过不确定因素分析，对本实验螺旋扁管套管换热器的总传热系数K<,o>、管程和壳程的努塞尔数Nu和阻力系数f的计算误差进行了分析，结果表明：本实验螺旋扁管套管换热器的总传热系数K<,o>的相对误差为1.09％，管程Nu和f的相对误差分别为1.11％和1.14％，壳程Nu和厂的相对误差分别为1.12％和2.24％。 在本文实验范围内(管内Re=4000～20000，Pr=6～7.5)，在相同尺e和Pr下，螺旋扁管管内的努塞尔数Nu为光滑管的1.3～2.5倍；阻力系数厂是光滑管的1.2～1.5倍，相对导程与管径比S/d<,e>，截面短长轴比B/A对螺旋扁管管内压降的影响比较大，因此为降低泵功率，应采用小S/d<,e>、较大B/A。 通过比较相同泵功耗条件下螺旋扁管套管换热器相对光滑管套管换热器的强化传热性能，对实验中螺旋扁管套管换热器进行了评价。螺旋扁管管内在相同泵功耗条件下相对光滑管的强化性能，η为1.4～1.6，螺旋扁管管内的η随雷诺数Re的增大而逐渐减小。在低雷诺数Re情况下，螺旋扁管管内的强化传热效果较好。在压降允许的情况下，减小B/A和S/d<,e>有利于提高螺旋扁管管内在相同泵功耗条件下的强化性能η。 在本文实验范围内(壳程Re=2000～15000，Pr=2．5～3)，各种不同结构参数的螺旋扁管套管换热器壳程的努塞尔数为光滑管的1.5～1.7倍。螺旋扁管换热器壳程的阻力系数为光滑管的1.1～1.3倍，随着壳程Re的增大，螺旋扁管换热器壳程的努塞尔数逐渐增大，而阻力系数逐渐减小。通过多元线性的方法对实验数据的归纳与整理，提出螺旋扁管管内努塞尔数和阻力系数的准数方程式，可为螺旋扁管换热器的工程设计提供依据。

目录

文摘

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论文说明：符号说明

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第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2强化传热技术的分类

1.2.1有源强化技术

1.2.2无源强化技术

1.2.3复合强化传热技术

1.3新型管束支撑结构

1.4螺旋扁管换热器

1.4.1螺旋扁管换热器的结构

1.4.2螺旋扁管换热器强化传热的机理分析

1.4.3螺旋扁管换热器的工程应用

1.4.4螺旋扁管换热器的研究进展

1.5本课题的创新性

1.6研究内容

第二章实验系统及数据处理

2.1实验系统

2.1.1实验流程

2.1.2螺旋扁管套管换热器的结构参数

2.2实验数据的测量

2.2.1测量仪器

2.2.2温度的测定

2.2.3压力的测定

2.3操作步骤

2.4实验数据处理方法

2.4.1传热内壁面温度

2.4.2总传热系数

2.4.3管程对流换热系数的计算

2.4.4壳程对流换热系数

2.4.5压降

2.4.6阻力系数

2.5实验误差分析

2.6本章小结

第三章实验结果及分析

3.1管程传热实验结果及分析

3.1.1管程传热实验结果及分析

3.1.2管程强化传热性能的评价

3.2壳程强化传热实验结果及分析

3.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

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