矩形偏心波纹翅片椭圆管换热器流动与换热的数值研究

摘要

作为工业流程中量大面广的通用热量传递设备，换热器广泛应用于电力、化工、制冷、环保、冶金等部门。对热电厂，若将锅炉也当作换热设备，则换热器的投资费用约占整个电厂投资份额的70％;对石油化工企业而言，一般对换热设备的投资占全部系统设备投资的30％～50％;对选用制冷剂为氟利昂的水冷机组而言，蒸发器和冷凝器约占系统总量的70％。因此，换热器设计、运转和改进的合理与否将直接决定着资金、耗材、能源与空间能否得到有效合理的利用，其重要性不言而喻。
　　随着生产规模的迅速扩大和能源的日益紧缺，节能降耗逐渐成为研究的重点。研究人员对工业领域广泛应用的换热设备强化传热技术的研究也越发紧迫。在众多强化换热技术中，通过扩展换热面积、优化流场与温度梯度场的分布来增强换热器的换热性能是最为常见且简单易行的方法。在考虑增强换热的同时也要对流动阻力进行足够的重视，以增强翅片管的综合换热性能。通常情况下换热器的基管为圆管，但研究发现，具有细长截面的异型管具有更小的阻力损失，因此近年来许多国家逐渐开发应用椭圆管、扁管取代圆管，并且应用后收到了良好的节能降耗效果。
　　本文通过商用数值模拟软件FLUENT软件对矩形偏心翅片椭圆管换热器、矩形偏心波纹翅片椭圆管换热器、平直-波纹偏心翅片椭圆管换热器翅片间流道内不可压缩空气的稳态、湍流流动的换热与阻力性能进行了三维数值模拟。分析了矩形翅片相对椭圆基管前后偏移位置、波纹形状与波纹倾角等参数对翅片表面对流换热、流动阻力和综合换热性能的影响。
　　研究表明，在其它结构参数均相同情况下，矩形偏心波纹翅片椭圆管随着椭圆管前端距离矩形翅片前端距离的增加，综合换热性能逐渐提高，并且可在椭圆管背风侧尾流区适当开缝，既不影响换热又能减少材料消耗;对三角形与正弦形的矩形偏心波纹翅片椭圆管换热器而言，三角形波纹翅片的翅片表面努塞尔数大、流道进出口的压降小，综合换热性能更加优良。在矩形偏心三角形波纹翅片的基础上减小翅片后部背风侧区域的波纹倾角甚至可将波纹变为平直翅片进行进一步优化。以达到换热影响不大的情况下减小阻力损失，进一步提高翅片的综合换热性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 直接空冷凝汽器的组成与工作原理

1．3 空冷翅片管的基本要求与结构类型

1．4 国内外研究现状与发展动态

1．5 本文研究的主要内容

第二章 数值模拟简述与模型验证

2．1 CFD简介

2．2 FLUENT数值计算的基础理论

2．3 算法验证

2．3．1 物理模型

2．3．2 边界条件及网格划分

2．3．3 物性参数

2．3．4 验证结果分析

2．3．5 误差分析

2．4 本章内容小结

第三章 矩形偏心翅片椭圆管热力性能的研究

3．1 物理几何模型

3．2 网格划分

3．3 数学模型

3．3．1 基本简化假设及控制方程

3．3．2 边界条件与物性参数

3．3．3 控制方程的离散与收敛准则

3．3．4 数值计算方法

3．4 数值结果分析

3．4．1 翅片表面的努塞尔数分布

3．4．2 翅片表面温度分布与流道中剖面速度分布

3．4．3 矩形偏心翅片椭圆管进出口压降

3．4．4 综合性能参数分析

3．5 本章内容小结

第四章 不同波形的波纹翅片椭圆管热力性能的研究

4．1 物理几何模型

4．2 网格划分

4．3 数学模型

4．3．1 基本简化假设及控制方程

4．3．2 边界条件与物性参数

4．3．3 控制方程的离散与收敛准则

4．3．4 数值计算方法

4．4 计算结果及分析

4．4．1 翅片表面的努塞尔数分布

4．4．2 矩形偏心波纹翅片椭圆管进出口压降

4．4．3 综合性能参数分析

4．5 两种波纹翅片椭圆管换热器的场协同分析

4．5．1 场协同原理简介

4．5．2 不同波纹类型与波纹倾角的场协同角对比分析

4．6 本章内容小结

第五章 平直-波纹偏心翅片椭圆管换热器的优化研究

5．1 模拟前期设置

5．2 计算结果及分析

5．2．1 翅片表面的努塞尔数分布

5．2．2 平直-波纹偏心翅片椭圆管进出口压降

5．2．3 综合性能参数分析

5．3 本章内容小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文