低雷诺数下新型强化传热管的研究与开发

摘要

换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空及其他许多工业部门广泛使用的一种通用工艺设备。在热力系统中，换热设备的投资在企业总投资中占有较大比重，换热设备性能的好坏直接影响着过程工业热经济性的高低。近年来，由于工艺要求、能源危机等诸多因素，对其进行强化传热研究已成为当今工程节能的重要手段。 管壳式换热器由于具有结构可靠、技术成熟、适用面广等优点，是目前热力系统中最为常用的换热结构。随着对换热器强化传热技术和现代设计研究方法的长足进步，管壳式换热器不断获得改进和发展。本文采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方式，进行了管壳式换热器管程强化传热研究。本文针对工程中广泛存在的管内层流换热传热系数低的问题进行了强化传热研究，在场协同理论的指导下，首次研制开发了一种新型换热管。此种新型换热管直接由普通圆管轧制而成，加工简单成本低。可较大程度的强化管内层流换热而其流阻增加较小，具有优异的综合强化传热性能。它利用其自身截面的交错变化使流动在管截面内诱导出多纵向涡，从而在管内形成沿轴向不易衰减的多纵向涡流流动，而多纵向涡二次流为管内层流对流换热强化的最佳流态，因而具有较好的强化传热效果。与此同时，又产生比较小的流动阻力，说明此种新型换热管是一种非常好的强化传热元件，有着广阔的工程应用前景。 采用数值计算方法，应用大型FLUENT软件对新型换热管三维模型的流动与传热性能进行了数值模拟计算。研究了管内流体的雷诺数Re、普朗特数Pr以及管子几何尺寸对其流动与传热性能的影响。结果表明，新型换热管具有较好的强化传热效果和较低的流动阻力。在管内流体为具有高Pr数低Re数时，其强化传热效果尤为明显。根据数值计算的结果数据，拟合出了努塞尔数Nu和阻力系数f的准则公式，对新型换热管工程实际应用具有一定的参考价值。 在本文最后对设计的新型换热管进行了实验研究，通过实验证明了新型换热管优异的强化传热性能。实验研究为新型换热管的性能完善、结构优化和工程应用提供了参考。通过实验结果与数值模拟结果的对比验证了数值模拟结果的可信性。总之，新型换热管结构简单，制造加工方便，适合于大规模工业生产，具有广阔的发展和应用前景。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1引言

1.2换热器强化传热技术

1.2.1强化传热途径

1.2.2强化传热技术分类

1.3强化传热结构

1.3.1管程侧强化传热结构

1.3.2壳程侧强化传热结构

1.3.3新型高效换热器

1.4强化传热性能分析与评价

1.5论文研究的主要内容

2管壳式换热器的研究方法

2.1理论分析方法

2.2实验测量方法

2.2.1实验研究的基本方法

2.2.2换热器的实验研究

2.3计算流体动力学方法

2.3.1 CFD简介

2.3.2换热器数值模拟研究进展

2.3.3数值模拟工具Fluent软件简介

2.4本章小节

3新型换热管的研发及其强化传热性能分析

3.1新型换热管设计的理论依据

3.1.1对流换热的物理机制

3.1.2对流换热控制和强化的途径

3.1.3对流换热的场协同原理

3.2新型换热管的研发

3.3新型换热管强化传热性能分析

3.3.1新型换热管管内涡流流动分析

3.3.2新型换热管与圆管轴截面速度比较

3.4本章小节

4结构参数对流体流动和传热性能的影响

4.1数值模拟的技术路线

4.1.1周期性模型理论

4.1.2几何模型的建立

4.1.3网格划分

4.1.4数值模拟参数设置

4.1.5数值模拟可靠性验证

4.2管内传热与流阻特性分析

4.2.1不同雷诺数Re下管内传热与流阻特性分析

4.2.2不同普朗特数Pr下管内传热与流阻特性分析

4.2.3 L1/di对管内传热与流阻特性的影响

4.2.4 L2/di对管内传热与流阻特性的影响

4.3管内努塞尔数Nu与摩擦系数f的准则关联式

4.4本章小节

5新型换热管实验研究

5.1实验目的及原理

5.1.1实验目的

5.1.2实验原理

5.2实验装置与仪器

5.2.1实验流程及方法

5.2.2实验设备及仪器

5.3实验结果及数据分析

5.3.1实验数据及处理

5.3.2实验结果分析

5.3.3实验结果与数值模拟结果的对比

5.4误差分析

5.5本章小节

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献