螺旋折流板管壳式换热器的CFD模拟研究

摘要

与传统的弓形折流板换热器相比，螺旋折流板换热器具有换热效果好、流动死区少、壳侧压降低、不易结垢、管束不易发生诱导振动等优点，在工程中的应用越来越广泛。
　　本文采用计算流体力学的方法对螺旋折流板换热器壳程的流体流动与传热过程进行了模拟研究，并以单位压降传热系数作为评价换热器综合性能的参数。结果表明，螺旋折流板换热器的单位压降传热系数是弓形折流板换热器的1.3~1.5倍。折流板形状和螺旋角度是影响螺旋折流板换热器性能的关键参数。在研究的螺旋角范围内（10°-40°），1/4扇形折流板换热器的单位压降传热系数最高。螺旋角度对单位压降传热系数影响的研究结果表明，最佳螺旋角度应与流体流量相适应，流量较小（0.6~1 kg/s）时，30°下的综合性能最优，当增大至1 kg/s时，20°与30°螺旋角的综合性能均最优。
　　双螺旋与单螺旋结构对换热器性能影响的研究结果表明，双螺旋对流体的导流作用增强，大螺旋角（30°~40°）时，双螺旋结构不仅可以提高壳侧的传热性能，同时能提高换热器的综合性能。针对螺旋折流板换热器内存在的三角漏流区问题，提出了在双螺旋结构的基础上增设一组菱形折流板的新型折流板形式，模拟结果表明，该结构可以完全避免换热器内部流体短路现象。该新型结构易于加工制造，便于工程实施。
　　采用Lee模型对冷凝过程进行模拟的结果表明，流量较小时冷凝量相比理论计算值的计算结果低约20％，随着流量增大，偏差会更大。通过分析发现，导致上述预测失真的主要原因是CFD在冷凝管壁面处不能考虑冷凝过程对传热的强化作用，冷凝传热系数的预测值与单相传热过程的结果接近。这就限制了传热过程的热通量，进而影响到冷凝量的预测。
　　本文提出了Fluent与HTRI相结合的自定义方法研究了不同入口流量对冷凝器速度场和液相分布的影响。结果表明，流量较小时，液相会在冷凝器壳侧底部聚集，导致该区域的速度较小；随着流量的增加，液相将随气相做螺旋状流动，聚集在冷凝器的壳程底部的液体逐渐向前移动，并在冷凝器的出口附近汇集。
　　本文模拟结果可为螺旋折流板换热器的放大设计提供理论依据，模拟冷凝过程的方法可为以后的研究工作提供借鉴。

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前言

第一章 文献综述

1.1 研究背景

1.2 螺旋折流板换热器简介

1.3 国内外研究进展

1.4 本文主要内容

第二章 计算流体力学的模型与方法

2.1 CFD的理论基础

2.2 多相流模型

2.3 相变模型

2.4 本章小结

第三章 弓形折流板换热器和螺旋折流板换热器的对比分析

3.1 建模与求解参数设置

3.2壳程参数的定义

3.3 模拟结果分析

3.4 本章小结

第四章 螺旋折流板换热器的结构优化

4.1 折流板形状对换热器性能的影响

4.2螺旋角对换热器性能的影响

4.3单螺旋与双螺旋的对比

4.4一种新型的螺旋折流板换热器

4.5本章小结

第五章 螺旋折流板冷凝器的模拟研究

5.1 冷凝过程

5.2 自定义方法

5.3 UDF编写

5.4 模型建立及网格划分

5.5解设置及边界条件

5.6 模拟结果分析

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

发表论文和参加科研情况说明

符号说明

致谢