螺旋折流板换热器壳程性能数值模拟研究

摘要

近几年来，能源安全已经成为关乎国家发展的不可忽视的问题。管壳式换热器在整个化工领域都是不可或缺的大型通用设备，因此，最大限度的提高管壳式换热器的换热性能成为促进节能减排的重要措施。这对于合理改善我国现有的能源结构具有重要的意义。在现有的管壳式换热器中，应用最广泛的要数传统弓形折流板换热器，这种结构由于其结构简单，在实际工程应用中易于制造且成本低廉，受到很多学者的青睐。但是传统弓形支撑结构可能会产生流动死区、压降损失大、结垢等缺陷，在此基础上，通过合理改善换热板片的支撑结构，一种新型的螺旋折流板换热器开始进入更多研究者的视野。本课题综合考虑三种不同支撑结构的换热器，对比分析换热器壳程流体的换热性能、阻力性能和综合性能。具体研究分析如下：
　　（1）采用数值模拟的计算方法，建立不同支撑结构下的计算模型，选取Realizable k-ε模型，采用二阶迎风格式计算流体的动量、湍动能和耗散率等。设置进口为速度入口，出口为压力出口，保持恒壁温，不考虑任何滑移和导热。
　　（2）分析对比传统弓形折流板换热器和螺旋角为5°和11°下连续螺旋折流板换热器的壳程换热和阻力性能。研究表明，在雷诺数2000-8000的范围内，5°角的连续螺旋折流板换热器壳程流体比较均匀，不存在流动死区，整体无效压降比较小，因此换热器整体的综合性能要优于传统弓形折流板换热器；但是在11°角的连续螺旋折流板换热器的综合性能没有弓形折流板换热器的好。这说明，弓形和螺旋两种换热器结构传热性能的优劣和螺旋角具有一定的联系。
　　（3）研究不同螺旋角度下连续螺旋折流板换热器壳程流体换热、压降以及综合性能随雷诺数的变化情况。结果表明，连续螺旋折流板换热器的换热和阻力性能都随着螺旋角的变大而减小，因此，在对压降要求不严格的情况下，要优先选取较小的螺旋角。
　　（4）对比分析三种较小的螺旋角度下，连续螺旋折流板换热器和四分螺旋折流板换热器壳程流体的换热、压降以及综合性能随雷诺数的变化情况。由于四分螺旋折流板结构的不连续性导致换热器壳侧流体流动会存在一定的漏流，整体流动也不够均匀稳定，因此其综合性能没有连续螺旋折流板换热器的好。
　　（5）利用场协同的方法比较两种螺旋结构下换热器的换热性能，以5°螺旋角的结构为例，分析指出，两种结构的换热器协同角都随着雷诺的增大而减小，这说明其换热性能随雷诺数的增加而增大。在某一确定的雷诺数下，连续螺旋结构换热器壳程流体速度场和温度场的协同性更好。

目录

声明

1 绪论

1.1 背景与意义

1.2 管壳式换热器分类

1.3 管壳式换热器强化传热方法

1.4 螺旋折流板换热器研究现状

1.5 螺旋折流板概述

1.6 主要研究内容和具体章节安排

2 螺旋折流板换热器数值模拟的理论和方法研究

2.1 建立物理模型

2.2 控制方程

2.3 湍流模型和差分格式的选取

2.4 设置边界条件

2.5 网格划分以及独立性验证

2.6 数值模拟计算方法的实验对比与验证

2.7 数据结果的处理和性能评价指标

3 四分螺旋折流板换热器与传统弓形换热器对比分析

3.1 四分螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器数值模拟

3.2 不同结构换热器性能的比较

3.3 螺旋角对连续螺旋折流板换热器壳侧换热及阻力性能的影响

3.4 传热和阻力性能的无量纲关联式拟合

3.5 本章小结

4 连续与四分螺旋折流板换热器壳侧换热及阻力性能分析

4.1 模型建立

4.2 不同角度下两种结构换热器壳程性能对比分析

4.3 不同螺旋折流板结构下换热器壳程整体以及局部流场分析

4.4 两种结构下螺旋折流板换热器壳程流动的场协同分析

4.5 中心假管对连续螺旋折流板换热器壳程换热及阻力性能的影响

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

个人简历、在学校期间发表的论文及研究成果

致谢