板翅式和管翅式烟气换热器性能比较分析

摘要

换热器作为一种热能传递设备，广泛应用在不同的领域中，其工作性能和运行状况直接影响后续设备的工作条件。在船舶领域中，烟气换热器不仅能起到节能减排的作用，更能为后续的汽轮机、膨胀机等设备提供运行必要的高温蒸汽等热工质。因此有必要针对换热器的各种结构及其性能进行比较和分析，并为换热器的设计提供相应的参考。本文的主要内容如下:
　　(1)本文根据换热器的相应概念和特点，对各种形式的换热器进行了相应的分类，并选择扩展表面式换热器中最常见的板翅式换热器和管翅式换热器进行研究。介绍了两种换热器在试验关联式、加工材料和工艺、研究方法和理论等方面的研究现状以及今后可能的发展趋势。
　　(2)根据相应的计算标准，详细介绍了两种换热器计算中平均温差法的计算过程和计算公式以及相应的参数选择。并依据某型号的船用低速柴油机的排烟特性和换热器设计指标，综合考虑设计标准和设计经验，设计不同结构的板翅式和管翅式换热器，共计得到9种方案。
　　(3)利用数值仿真技术对相同体积的多种换热结构进行数值仿真。在管翅式换热结构仿真中，根据换热器结构进行相应的简化后建立物理模型。考虑到实际情况中，翅片数量巨大，流场结构复杂，依据流场结构的周期性和对称性，选择一个重复的单元结构，假设流体在每个重复结构的流动状态相同，用局部的流动和换热情况状态代替其余部分的流动和换热情况。在板翅式换热结构的仿真中，由于每个单元的流场结构非常简单，现有的流体力学理论和热力学理论都能十分准确的描述流体的流通和传热特性，因此不进行局部单元结构的仿真，选择对换热结构进行整体仿真。本文介绍并使用换热器模型和多孔介质模型，计算流体的传热特性和阻力特性，得到整体结构的仿真结果。
　　(4)分析相同指标下的设计方案以及相同体积下的校核结果和仿真结果，比较各种换热结构的换热和阻力特性，并综合考虑各种因素的影响，得出各种方案的优劣和适用领域。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 我国能源问题现状

1．1．2 余热利用的现状和背景

1．1．3 船舶余热利用技术的发展战略

1．2 换热器的概念和分类

1．2．1 根据传热过程分类

1．2．2 根据表面紧凑度分类

1．2．3 根据结构特征分类

1．2．4 其他分类

1．3 国内外研究现状

1．3．1 管翅式换热器的研究现状和发展趋势

1．3．2 板翅式换热器的研究现状和发展趋势

1．4 课题主要研究内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 主要研究内容

第2章 板翅式换热器设计计算

2．1 板翅式换热器结构特点

2．1．1 翅片形式

2．1．2 传热表面的几何特性

2．2 流体的平均温度和平均温差

2．3 换热器传热热阻和翅片效率

2．3．1 换热器的传热热阻

2．3．2 扩展表面的翅片效率

2．4 无相变工况下的传热和阻力特性

2．4．1 传热和阻力特性的经验关系式

2．4．2 压力损失计算

2．4．3 传热分析的假设

2．5 板翅式换热器设计计算

2．6 本章小结

第3章 管翅式换热器设计计算

3．1 热力计算

3．1．1 对流受热面计算

3．1．2 烟气流速

3．1．3 平均温压计算

3．1．4 翅片系数

3．1．5 传热分析假设

3．2 流动阻力计算

3．3 管翅式换热器的设计计算

3．4 本章小结

第4章 换热器数值仿真

4．1 Fluent软件介绍

4．2．1 基本控制方程

4．2．2 湍流模型

4．2．3 壁面函数

4．2．4 相关设定

4．2．5 仿真结果

4．4 基于多孔介质模型和换热器模型的整体仿真

4．4．1 多孔介质模型和阻力计算

4．4．2 换热器模型和换热原理

4．4．3 传热单元数计算

4．4．4 仿真计算结果和分析

4．5 本章小结

第5章 设计与仿真结果分析

5．1 设计方案分析

5．1．1 管翅式换热器的方案分析

5．1．2 板翅式换热器的方案分析

5．2 仿真结果分析

5．2．1 管翅式方案仿真分析

5．2．2 板翅式方案仿真分析

5．2．3 整体仿真和校核分析

5．3 整体方案分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢