汽水混合加热器的实验与数值模拟研究

摘要

汽水混合加热器是一种近年来发展起来的直接将蒸汽与水混合以加热水的热交换装置。这种加热器换热效率高、结构简单、运转费用低廉，因此在供热、电力、石油及化工等领域有着较为广泛应用。
　　本文以实际工程应用为研究背景，通过实验方法和数值模拟方法相结合对汽水混合加热器内部结构设计进行了一系列的研究分析。对传统喷管式汽水混合加热器进行了蒸汽入口管的径向偏移处理，使蒸汽在蒸汽腔中呈旋流状态，同时设置四个蒸汽入口管，进一步增强蒸汽的均匀喷射。研究汽水混合加热器内部结构所影响的温升特性、蒸汽相体积组分、水相体积组分、冷凝水相体积组分、气动外形四极子噪声源和局部偶极子噪声源等分布规律。
　　在不同工况下进行了汽水混合加热器水温升及噪声声压级实验，实验数据表明：随着蒸汽入口管开启个数的增多，在通入相同蒸汽量的前提下混合加热器出口水相温升逐渐升高。当使用四个旋流蒸汽管进汽时水温升可以达到14.7℃，此实验数据与理论计算温升值15℃相差在2%左右，验证了实验设计的合理性。
　　通过 CFD软件进行汽水混合加热器数值模拟，模拟出温升效果与实验结果相差在0.5K以内，模拟结果与实验结果相符合。模拟中运用了宽频噪声模型，获得了加热器的声场分布，找到了汽水混合加热器易产生强噪声源的位置。本文数值模拟结果中的噪声声压级平均值为72.6dB，与实验中测量的噪声声压级平均值74.1dB相比误差保持在2.1%以内，说明了宽频噪声源模型在模拟汽水混合加热器噪声声压级方面有较好的模拟求解精度。
　　分析了不同内部结构对掺混加热效果及噪声分布的影响因素，如不同蒸汽小孔的喷射角度，蒸汽管的径向偏移量，蒸汽管的数量和四旋流蒸汽管的排列等。在这四组不同结构对比工况中，蒸汽管径向偏移量和蒸汽管的个数对于降噪设计有显著影响，这两种不同内部结构的变化引起的噪声源声压级值最大差值分别为4.8%和4.4%，对汽水混合加热器的高效加热和降噪改进设计具有参考价值。

目录

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符号说明

第一章 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 目前技术发展所遇到的问题

1.4 本章小结

第二章 汽水混合加热技术综述

2.1 汽水混合加热系统介绍

2.2 汽水混合加热器的特点

2.3 汽水混合加热器的分类

2.4 本文主要工作内容

第三章 汽水混合加热器的噪声与温升实验研究

3.1 汽水混合加热实验台的设计与搭建

3.2 汽水混合加热实验工况及测量方法

3.3 汽水混合加热实验结果及分析

3.4 本章小结

第四章 数值计算方法

4.1 商用CFD软件介绍

4.2 流体控制方程

4.3 湍流模型

4.4 气动噪声模型

4.5 宽频噪声源模型

4.6 数值计算方法

4.7 本章小结

第五章 汽水混合加热器的数值模拟研究

5.1 汽水混合加热器模型参数的设定

5.2 汽水混合加热器数值模拟结果分析

5.3 不同内部结构影响因素对比工况数值模拟分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 下一步研究工作展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢