盘管式有机热载体炉炉管内流动换热特性数值模拟研究

摘要

盘管式有机热载体锅炉，因其具备“高温低压”的工作特性而被普遍应用于工业生产中，然而由于有机热载体炉中的导热油在较高的运行温度下易劣化变质从而恶化传热，致使炉管过热爆管而发生安全事故。因此为了有效预防有机热载体炉事故的发生，有必要对有机热载体在炉管内的流动换热特性进行研究分析。
　　本文在考虑导热油变物性和管壁热量输入的情况下，利用ANSYS CFX模拟软件数值模拟了导热油在盘管式有机热载体炉内层盘管的前10圈螺旋炉管内的流动换热特性，并分析了影响因素（螺旋直径D、管壁粗糙度K、导热油入口流速u、盘管布置方式及炉管直径）对其流动换热特性的影响。分析结果表明：由于离心力的作用，盘管式有机热载体炉炉管的螺旋外侧面的速度远远大于螺旋内侧面的速度，同时炉管螺旋外侧面的换热强度也大于螺旋内侧面的换热强度；导热油在螺旋炉管内形成的垂直于主流的二次流和管内粗糙度有效地强化了导热油的换热效果；当导热油流速大于3.5m/s时，螺旋直径对导热油流动换热特性的影响大于流速的影响，若流速小于3.0m/s时两者影响正相反；立式布置的螺旋盘管内换热效果强于卧式布置的螺旋盘管；导热油入口速度大于3m/s时，炉管管径对其影响较小，但当入口流速小于3m/s时，炉管管径和流速对其影响突出。综合各方面因素，导热油在有机热载体炉辐射受热面流速宜控制在（3—4）m/s范围内。
　　同时应用t检验法对有机热载体炉换热特性影响因素主次进行了分析：螺旋直径D>炉管内径d>炉管外径dw>导热油入口流速u>炉管粗糙度K。
　　最后利用数值模拟得出的数据对导热油在螺旋炉管内的流动阻力系数关联式和换热准则关联式进行拟合，拟合出两个合适的关联式，为有机热载体炉的优化设计提供借鉴。

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符号说明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容

1.4本章小结

第2章 有机热载体炉流动换热理论基础

2.1有机热载体炉概述

2.2有机热载体概述

2.3有机热载体在螺旋盘管内流动换热理论基础

2.4有机热载体炉内热力计算

2.5本章小结

第3章 数值模拟模型

3.1ANSYS CFX软件介绍

3.2几何模型

3.3湍流模型

3.4数学模型

3.5网格划分

3.6边界条件设置

3.7模拟方法验证

3.8本章小结

第4章 有机热载体炉内流动换热特性及影响因素分析

4.1流动换热特性分析

4.2有机热载体炉内导热油流动换热影响因素分析

4.3影响因素主次分析

4.4本章小结

第5章 有机热载体流动换热特性方程拟合

5.1回归分析简介

5.2流动阻力系数关联式拟合

5.3换热准则关联式拟合

5.4拟合公式验证

5.5本章小节

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读学位期间科研成果

致谢