结构参数对绕管式换热器壳侧流动与传热特性影响研究

摘要

作为世界一次能源的三大支柱之一，天然气具有优质、洁净的突出特点。天然气不仅被用作廉价的化工原料和清洁燃料，还被广泛应用于联合发电系统、热泵、燃料电池等领域，在一次能源结构中占有十分重要的比重。然而，天然气的开发和使用也面临着运输和储存等问题。由德国林德公司首次开发出的缠绕管式换热器以高效节能而著称，十分有利于液化天然气的运输和储存，目前这种大型的主低温换热器在天然气液化工厂中得到广泛应用。国内外众多学者仍在采用实验和数值模拟方法对缠绕管式换热器特性进行研究，对其进行进一步优化设计。其中数值模拟方法不仅可以缩短研究周期、降低研究费用，具有灵活方便和可重复性，还可以获得换热器内部流场、温度场、压力场等实验中较难得到的全面信息，对换热器内部流动与传热机理进行深入研究。本文将采用数值模拟方法对缠绕管式换热器壳侧流场的流动和传热特性进行研究。
　　本文首先介绍了数值模拟方法和流体动力学数值模拟专业软件之一的FLUENT软件。应用FLUENT软件对缠绕管式换热器壳侧流场气态制冷工质过热蒸汽流动以及液态制冷工质沸腾传热这两种不同的传热过程进行数值模拟，并将模拟所得的结果与Fredheim的实验结果进行比较，验证这两种传热过程的数值模拟方法的正确性。
　　其次，基于过热蒸汽流动和沸腾传热的数值模拟，对比分析了缠绕管式换热器壳侧流场气态制冷工质过热蒸汽流动和液态制冷工质沸腾汽化过程的流动和传热特性。得到沸腾汽化过程的换热系数和压力降梯度都较过热蒸汽流动过程的换热系数和压力降梯度大的现象。说明流体在相变流动过程中的换热得到增强，流动阻力增加。
　　最后，利用数值模拟探索了缠绕管式换热器的结构参数，如缠绕管的管径、缠绕管的缠绕角度以及中心管层的缠绕直径，对壳侧内流动和传热特性的影响。数值模拟的结果表明：在缠绕管式换热器壳侧流场气态制冷工质过热蒸汽流动过程中，缠绕管的管径和中心管层的缠绕直径为主要影响参数，而缠绕角度仅仅影响壳侧流动压力降梯度，对换热影响不大；在壳侧流场液态制冷工质沸腾汽化过程中，缠绕管的管径为主要影响参数，而缠绕角度和中心管层的缠绕直径仅仅影响壳侧流动压力降梯度，对换热的影响很小。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景及意义

1.3 国内外研究现状及分析

1.4 课题的提出

1.5 本文的主要研究内容

第2章 数值模拟计算模型及方法

2.1 引言

2.2 数学模型

2.3 数值方法

2.4 计算工况及参数

2.5 本章小结

第3章 绕管式换热器壳侧流动与换热数值模拟

3.1 引言

3.2 物理模型的建立与网格的划分

3.3 壳侧内单相流动与传热的数值模拟

3.4 壳侧内相变流动与传热的数值模拟

3.5 本章小结

第4章 结构参数对壳侧流动与换热特性的影响

4.1 引言

4.2 结构参数对壳侧内单相流动与换热的影响

4.3 结构参数对壳侧内相变流动与换热的影响

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢