螺旋折流板换热器流动与传热耦合计算模型

摘要

管壳式换热器是工业部门中应用最广泛的一种换热设备,随着强化传热技术的发展,也随着我国节能减排战略的实施,包括螺旋折流板换热器在内的各种以节能为导向的新型管壳式换热器都得到了大力的开发和应用,但桎梏于彼此结构间的差异,各种新型管壳式换热器的研究和设计往往自成体系,通用性较差。因此,本文提出一种适用于各种内部组件的换热器流动与传热耦合计算模型,并将其应用于螺旋折流板换热器的研究中,结合新的评价体系,系统分析了流体特定不同时,螺旋折流板换热器倾角的选择范围。本文采用数值模拟和实验相结合的研究方法,主要包括以下研究内容。
　　以流路分析法为蓝本,建立了流场与传热协同的管壳式换热器计算模型。首先确定了壳程中内部组件对流场的影响机制,包括分隔壳程流体形成多条流路,以及改变各流路流体的流动方向和流通通道雷诺数;然后根据流路划分情况和流通通道内流型要素平均量的大小对内部组件进行数学表达;最后对“当地流型”影响换热表面当地传热及压降的情况进行了定性分析。
　　按照流体流动方向和换热管轴向入射夹角的不同建立起二维单管流动传热物理模型,根据雷诺数的不同分别采用Laminar层流模型和(RNG)k-ε湍流模型进行数值模拟。结果表明,随着入射角的增大,换热管的传热性能增强,在层流状态下,换热管的传热能力由热管表面热边界层厚度的大小决定,在湍流状态下受热管表面空间中高湍流强度流体的占比控制;随着入射角的增大,换热管的阻力性能下降;在相同的当地雷诺数下,入射角为45°左右的热管的传热性耗比最大;最后给出了不同入射角度下热管的传热关联式和局部阻力系数关联式。
　　比较了螺旋折流板和弓形折流板对换热器壳程流路划分情况的异同,推导出中心泄流流股F产生的原因。采用(RNG)k-ε湍流模型,以螺旋折流板换热器为研究对象,并考虑了换热管和管板间隙以及换热管和壳体间隙,对各流路中流量的占比情况进行了数值计算。结果表明,随着雷诺数的增大,有效主流路B的占比减小,中心泄流流股F的占比减小,随着螺旋倾角的增大,有效主流路B的占比增大,中心泄流流股F的占比减小;最后得到了各流路占比随雷诺数和螺倾角变化的关系式;完善了换热器流动与传热耦合模型应用于螺旋折流板时的参数,通过和实验数据对比,确定了模型的正确性。
　　建立了消除入口段影响的螺旋折流板换热器数值模拟模型和同尺度的弓形折流板换热器数值模拟模型,并与实验结果对比,验证模型的合理性和准确性,在此基础上,完成了对螺旋折流板换热器流动和传热的数值模拟研究,并结合换热器流动与传热耦合模型得出了以下结论:首先,螺旋折流板将壳程流体的有效主流路持续导流为螺旋形,在保持甚至增加有效主流路流体雷诺数的基础上,大幅降低了流路的局部阻力,在维持传热性能的同时减小压降,提高传热的性耗比,从而实现了传热强化;其次,当壳程流体处于层流状态时,螺旋折流板的螺旋导流作用下降,换热器中心泄流流股F的占比增加,降低了传热的效率。最后,综合考虑换热器长度(换热面积),压降和性耗比为评价指标,确定了不同流体适合的螺旋倾角。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 管壳式换热器的强化传热概述

1.3 管壳式换热器计算方法的进展

1.4 螺旋折流板换热器的研究进展

1.5 现有研究的不足和本文的研究内容

第二章 流动与传热耦合的管壳式换热器计算模型

2.1管壳式换热器流动与传热耦合计算模型的提出

2.2 内部组件对壳程流路划分和流型的影响

2.3 内部组件的数学表达

2.4 流型对管壳式换热器壳程传热和压降的影响

2.5 本章小结

第三章 数值模拟研究当地流型对传热和压降的影响

3.1模型的建立与设置

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 螺旋折流板换热器壳程流路划分情况的数值模拟研究

4.1 螺旋折流板换热器壳程的流路划分情况分析

4.2有间隙的螺旋折流板换热器壳程数值模型的建立与设置

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 螺旋折流板换热器强化传热的机理和螺旋倾角的选择

5.1 螺旋折流板换热器的实验及模型的验证

5.2 螺旋折流板换热器的数值模拟

5.3 参数定义和公式计算

5.4 结果与讨论

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 主要创新点

6.3 不足和展望

参考文献

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