管壳式水热设备壳侧流动的数值模拟及焓（火用）分析

摘要

在过去的30年间，数值模拟技术已经广泛用于管壳式换热器领域。在本文中，将用数值计算的方法对不同挡板类型管壳式换热器壳侧流体的流动传热性能进行研究。
　　首先对弓形挡板管壳式换热器的壳侧流场的流动传热进行数值计算。基于模拟结果，使用热力学第二定律和焓(火用)理论对(火用)利用效率进行定量分析。结果表明，与能量分析相比，(火用)分析法是更加科学地分析能量回收利用程度的方法。增加壳侧热水的质量流量可以增加管侧冷水的品质且增大壳侧传热系数，但是降低了热水的利用程度。最后，该部分对不同缺口高度的弓形挡板进行了研究，结果表明，随着挡板缺口高度的增加，壳侧传热系数和压降都逐渐下降，但是性能参数α/ρ会显著增大。
　　然后，研究了双管程的管壳式换热器。首先，在相同的输入条件下比较了单管程和双管程弓形挡板管壳式换热器。结果表明，双管程换热器中回收热量的品质几乎是单管程换热器中的两倍，而在两种换热器中它们的壳侧传热系数几乎是相同的。在所有的换热器中，增加壳侧热水的质量流量可以提高管侧冷水的品质及增大传热系数，但是会降低热水的利用程度。为了研究不同挡板类型的双管程管壳式换热器的流动传热性能，特此比较了在相同输入条件下弓形挡板、螺旋形挡板及花瓣形挡板换热器的数值模拟结果。结果表明，在相同的条件下，花瓣形挡板换热器的壳侧压降和传热系数都是最小的。为了更好地评估三种不同类型换热器的经济性，引入了新的评价指标，即单位有效泵做功下的热流量QH/PO。数值模拟结果显示，三种换热器在相同的输入条件下，花瓣形挡板换热器的QH/PO是最高的，而弓形挡板换热器的QH/PO是最低的。因此，花瓣形挡板换热器在平衡壳侧传热系数与壳侧压降方面做得最好。在某种程度上，花瓣形挡板管壳式换热器也是最经济的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及其必要性

1．2 换热器研究进展

1．2．1 换热器壳侧流动的实验及理论研究进展

1．2．2 国内外换热器数值计算研究进展

1．3 研究任务

1．4 本文创新点

第2章 计算流体力学基础与贝尔-台华法

2．1 管壳式换热器概述

2．2 流体力学基本控制方程

2．3 涡粘模型

2．4．1 标准k-ε模型

2．4．2 RNG k-ε模型

2．4．3 Realizable k-ε模型

2．5 在近壁区域湍流流动的特点及对策

2．5．1 近壁区流动特点

2．5．2 近壁区流动的处理

2．5．3 壁面函数法简介

2．6 近壁区的网格处理

2．7 贝尔-台华法简介

2．7．1 流路分析法

2．7．2 壳程压降的计算

2．7．3 壳程传热系数h0的计算

2．8 本章小结

第3章 基于不同缺口高度的弓形挡板管壳式换热器数值模拟研究及焓(火用)分析

3．1 模型介绍

3．1．1 物理模型

3．1．2 控制方程

3．1．3 数值模型

3．1．4 网格的划分及网格独立性验证

3．1．5 近壁区域处理与边界条件设置

3．1．6 模型验证

3．2 数据处理

3．2．1 热流量与壳侧传热系数

3．2．2 管壳式换热器中的焓(火用)分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 沿管壁轴向特定直线的温度分布

3．3．2 换热器壳外壁温度分布

3．3．3 壳侧流线图与速度矢量图对流动传热的影响

3．3．4 壳侧中心纵截面温度分布与压力分布云图的关系

3．3．5 壳侧质量流量为2kg／s时模拟结果分析

3．3．7 不同挡板高度对(火用)利用效率和不可避免损失的影响

3．3．8 弓形挡板缺口高度对壳程传热系数与壳程压降的影响

3．4 本章小结

第4章 基于不同挡板类型的管壳式换热器数值模拟研究

4．1 数值模拟

4．1．1 物理模型

4．1．2 控制方程

4．1．2 边界条件及近壁区域处理

4．1．3 计算中各参数的处理及收敛标准

4．1．4 网格划分及网格独立性验证

4．1．5 模型验证

4．2 数据处理

4．2．1 壳程压降和泵有效做功

4．2．2 壳侧流体速度Vs及壳侧雷诺数Res的确定

4．3 结果讨论

4．3．1 单管程与双管程管壳式换热器的比较

4．3．2 三种不同的换热器壳程侧流场特性的分析

4．3．3 压降和传热特性

4．3．4 换热器综合性能分析

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发的论文

致谢

作者简介