连续型螺旋折流板换热器的结构及热工性能研究

摘要

螺旋折流板换热器是20世纪90年代开发的一种新型换热器，它与传统折流板换热器的主要区别是将壳侧折流板结构形式改变，流体由原来的折返式流动变成连续的螺旋状流动，以螺旋流的方式冲刷传热管束。该种流动方式能适用包括高粘原油、渣油在内的所有介质，显著地提高换热效率，大幅度降低压力降，控制振动造成的破坏，减少污垢沉积的可能性，因此在石油化工行业，螺旋折流板换热器已逐步取代传统换热器。
　　连续型螺旋折流板换热器可以形成理想螺旋柱塞流，但是一直受限于螺旋面加工工艺而未能得到广泛应用。目前的螺旋折流板换热器都是非连续型的，即由若干块扇形或椭圆形平板搭接形成近似螺旋面，其中以1/4椭圆形螺旋折流板应用最为普及。但是非连续型的结构存在结构缺陷，在相邻折流板间会形成三角区漏流，影响换热器的流动和换热性能。
　　本文提出采用加装中芯管的方法，实现了连续型折流板的加工，并给出设计计算方法。利用Fluent软件对连续型螺旋折流板换热器进行结构建模，模拟分析其壳侧流动和换热特性。
　　首先，阐述了连续型螺旋折流板换热器中芯管加装原理，连续型螺旋折流板螺旋升角和螺旋包络面的设计计算方法，以及连续折流板的加工工艺，并利用虚拟设计软件建立连续型螺旋折流板换热器的实体模型。
　　其次，以连续型螺旋折流板换热器和1/4椭圆形折流板换热器为研究对象，分别建立两者物理模型和数学模型，对两种换热器壳侧流动和换热特性进行模拟分析。结果表明，连续型折流板换热器换热能力较1/4椭圆折流板换热器提高了近一倍，综合性能系数也提高了近30％。由于存在漏流现象，虽然1/4椭圆形折流板换热器壳侧压力降较小，但其传热能力却被削弱。
　　最后，为得到有利于提高换热器运行性能的最佳结构参数，分别建立螺旋升角不同和中芯管半径不同的连续型螺旋折流板换热器模型。通过对模拟结果的分析表明，螺旋升角为20°时换热器强化传热能力最强，同时适度增大中芯管半径可降低壳侧压降，提高换热器的综合性能。
　　本文关于换热器设计参数、加工工艺、运行性能、结构优化的研究，为连续型螺旋折流板换热器的市场推广和工程应用提供了参考依据和技术支撑。

目录

连续型螺旋折流板换热器的结构及热工性能研究

Research of Structure and Thermal Performance of Heat Exchangers with Continuous Helical Shaped Baffles

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及研究意义

1.2 壳管式换热器强化传热技术

1.3 螺旋折流板换热器研究进展

1.4 换热器的数值模拟研究进展

1.5 本文所做工作

第2章 连续型螺旋折流板设计参数及加工

2.1 非连续型螺旋折流板设计

2.2 连续型螺旋折流板设计

2.3 连续型螺旋折流板换热器的加工

2.4 虚拟设计

2.5 本章小结

第3章 螺旋折流板换热器数学模型的建立及求解

3.1 前处理

3.2 计算求解

3.3 后处理

3.4 本章小结

第4章 螺旋折流板换热器热工性能数值模拟结果分析

4.1 流场分析

4.2 压力场分析

4.3 温度场分析

4.4 综合性能系数

4.5 模拟计算的验证

4.6 本章小结

第5章 连续型螺旋折流板换热器的结构优化

5.1 螺旋升角对换热器热工性能的影响

5.2 中芯管规格对换热器流动性能影响

5.3 螺旋折流板换热器壳侧结构改进

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢