百叶片支撑多管束受限外流的伟热和阻力性能研究

摘要

管壳式换热器是工业生产领域重要的热量交换设备，提高换热器性能可有效降低生产过程中的能源消耗，提高生产效率。因此，优化换热器内流场结构，研究换热器内部换热性能和流动特性具有重要意义。常用的弓形折流板换热器壳程受限外流流动死区大，压降高，泵功消耗大。针对以上问题，提出百叶形折流板换热器结构，改善和优化壳程受限外流，进而提高换热效率，降低泵功消耗。建立百叶形折流板换热器壳程物理模型，通过全三维流场数值模拟计算，研究百叶片支撑多管束受限外流的传热和阻力特性，获得壳程流场分布和温度分布；调整叶片结构参数、叶片装配方式及壳程折流板数，分析不同因素对新型换热器壳程阻力特性、换热特性及综合性能的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴通过三维数值模拟，获得百叶片支撑多管束受限外流流场特性，其流场分布均匀，流动死区小；与传统弓形折流板换热器壳程受限外流相比，其壳程压降下降了36.9％~37%，功耗降低；在本文所研究范围内其综合性能优于弓形折流板换热器，相同泵功消耗下换热系数可提高22.7%。⑵在所研究的入口流速范围内，百叶片倾斜角度对换热器壳程压降和换热系数均有较大的影响。换热器壳程压降随叶片倾角减小而减小，与弓形折流板换热器壳程压降相比可减小17.1%~45.7%。倾角为45°时具有最优的传热和阻力综合性能。相同压降下传热系数较弓形折流板支撑多管束受限外流可提高25.9%。⑶折流板叶片宽度对换热器壳程受限外流压降影响较小。本文研究范围内，相同入口流速下，壳程压降较弓形折流板换热器降低了35.96%~38.19%，且随叶片宽度变窄而下降。叶片宽度为150mm的百叶形折流板结构在相同壳程压降下换热系数最高，为最优结构。⑷壳程折流板组数增加时，压降增大，换热系数下降。在本文研究的换热管长情况下，加密折流板数会导致换热器性能下降。4组折流板数换热器结构具有最优换热性能。⑸对不同类型折流叶片装配结构进行研究，结果表明在不改变壳程流体流通截面积的情况下，调整叶片装配结构对壳程压降影响较小，对于换热系数而言，有效换热面积对壳程换热系数的影响强于流体扰动所带来的影响。文中“3-100-60”型装配结构换热性能最优。

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