复合波纹板式换热器换热与阻力特性研究

摘要

板式换热器作为一种传热性能优异的热能动力机械设备被广泛应用到有能量传递过程的许多领域，其应用范围的不断扩大要求对其进行更深入的研究。板式换热器与管壳式换热器相比具有传热系数高、结构紧凑、易拆洗等优点，但也存在流动阻力大、承压能力低等主要缺点。针对传统人字型波纹板式换热器流动阻力大这一主要缺点，本文提出一种新型换热板片——复合波纹板片。 本文首先选取几何参数为波纹夹角β=45°、横波波距L<,h>=30mm、横波波高H<,h>=1.5mm、纵波波距L<,z>=16mm和纵波波高H<,z>=1.5mm的复合波纹板片建立与本文实验段几何参数一致的物理模型，采用非结构化网格，分别选用层流和RNGk－ε湍流模型，数值计算得到复合波纹型板式换热器内部的速度场，以及复合波纹型板式换热器在不同Re数范围内的换热准则方程式和摩擦系数关系式。为验证数值计算结果的正确性，搭建了复合波纹型板式换热器的水－水、水－油换热实验台，进行了水－水、水－油换热实验。通过对比，发现数值计算结果与实验结果一致性较好，Nu数随Re数的变化趋势基本一致，这说明了用数值计算方法研究复合波纹型板式换热器流动与换热性能的可行性。 为进一步探索复合波纹型板片的换热及阻力性能，对波纹夹角β=15°～75°，横波波高H<,h>=0.5mm～2.5mm，横波波距L<,h>=16mm～50mm；纵波波高H<,z>=0.5mm～2.5mm，纵波波距L<,z>=8mm～32mm范围内各个几何参数下的复合波纹型板片进行了数值计算，得出复合波纹几何参数对其性能的影响规律：波纹夹角β增加，换热增强，阻力同样相应增大，但夹角β较小时换热与阻力综合效果更好；横波波高增加在一定程度上有助于提高换热效果，且对摩擦系数影响很小；横波波距对换热影响不大，但横波波距过大或过小都会导致大的摩擦系数；纵波波距的减小在一定程度上可以强化换热，但摩擦系数会增大；纵波波高的变化对换热和摩擦系数都有显著影响。通过大量的数值计算，发现波纹夹角、纵波波高和纵波波距的改变对换热以及阻力性复合波纹型板式换热器的换热准则综合方程式：摩擦系数综合关系式：以上两式Re数范围为：2000

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

1.前言

1.1课题的背景及意义

1.2板式换热器的应用、构造及特点

1.3板式换热器的研究现状

1.4本文主要内容

2.复合波纹型板式换热器换热与阻力特性数值模拟

2.1引言

2.2复合波纹板片的几何特征

2.3数值计算物理模型和数学模型

2.3.1物理模型

2.3.2数学模型

2.4边界条件

2.4.1入口边界条件

2.4.2出口边界条件

2.4.3壁面条件

2.4.4网格划分

2.5数值计算结果及分析

2.6本章小节

3.复合波纹型板式换热器水—水换热实验研究

3.1水—水换热实验系统

3.2实验方法、步骤及可靠性验证

3.3实验数据处理方法

3.3.1分离对流换热系数的等质量流量法

3.3.2实验原始数据处理

3.4数据处理结果与分析

3.4.1实验结果处理

3.4.2实验结果与数值计算结果的比较

3.5复合波纹与人字型板式换热器性能比较

3.6复合波纹型板式换热器流场和温度场分析

3.6.1复合波纹曲面对强化换热的影响

3.6.2复合波纹曲面对流动阻力的影响

3.7本章小节

4.复合波纹型板式换热器水—油换热实验研究

4.1引言

4.2水—油换热系统

4.3水—油换热实验步骤

4.4油侧对流换热系数的分离

4.5数据处理结果及分析

4.5.1实验数据处理

4.5.2实验结果与数值计算结果的比较

4.6复合波纹与人字型板式换热器性能比较

4.7本章小节

5.板片波纹参数对换热与阻力性能的分析

5.1引言

5.2板片几何参数对换热及阻力的影响

5.2.1波纹夹角β对换热与阻力特性的影响

5.2.2横波波距Lh对换热与阻力特性的影响

5.2.3横波波高Hh对换热与阻力特性的影响

5.2.4纵波波距Lz对换热与阻力特性的影响

5.2.5纵波波高HZ对换热与阻力特性的影响

5.3综合准则关系式

5.3.1换热准则综合方程式

5.3.2摩擦系数综合关系式

5.4本章小节

6.全文总结

6.1主要工作及成果

6.2本文的不足

附录

参考文献

致谢