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新型垂直式斜折流片换热器传热和阻力性能研究

发布时间:2020-10-20 13:40
   提高换热器效率可以提高产能、降低能耗,还能提高余热的二次利用率,这对解决当今社会资源短缺和能源利用率低下的问题有十分重要的社会意义和经济意义。管壳式换热器因结构简单、运行可靠、制造容易和易于维护等特点广泛应用于能源动力和石油化工领域。其中弓形折流板换热器是应用最广泛的一种的管壳式换热器,在换热器市场占据重要份额,但是传统的弓形折流板换热器仍然存在壳侧流动死区大和阻力高的问题。针对传统的弓形折流板换热器存在的问题和弊端,本文提出新型垂直式斜折流片管壳式换热器,旨在优化管壳式换热器壳侧结构,进而降低泵功消耗和提高换热效率。本文建立垂直式斜折流片管壳式换热器三维数值模型,生成计算网格,获得垂直式斜折流片换热器壳侧三维流场和温度分布,对其流动结构进行详细分析;通过三维数值模拟,获得其传热、阻力和综合性能,与传统弓形折流板管壳式换热器的传热和阻力性能进行了对比;详细分析了不同折流片倾角、不同布管方式、不同换热管长度和不同工质对新型管垂直式斜折流片换热器性能的影响。主要内容和结论如下:(1)通过三维数值模拟获得垂直式斜折流片换热器壳侧流场分布和温度场分布特性,结果表明其壳侧流体受斜折流片扰动明显,在壳侧形成倾斜流动,斜向冲刷换热管,流场均匀,使得有效换热面积大,无明显流动死区。(2)对于正三角形布管的垂直式斜折流片换热器,其壳侧压降随折流片倾角的增大而增大,与弓形折流板换热器相比,正三角形布管的垂直式斜折流片换热器壳侧压降可降低10.06%~45.10%,泵功消耗减小,节能效果明显。其单位压降下的传热系数不随折流片倾角单调变化,折流片倾角为45°时其单位压降下的传热系数比传统弓形折流板换热器提高了29.84%~51.43%,综合性能最优。(3)换热管束的布管方式对垂直式斜折流片换热器的性能有一定影响。正方形布管的垂直式斜折流片换热器单位压降下的传热系数较弓形折流板换热器,可提高15.78%~29.79%;正方形布管且换热管长度为1000mm时,折流片倾角为60°的垂直式斜折流片换热器性能最优。(4)倾角不同对应换热器综合性能最优时的换热管长度也不完全同。折流片倾角为30°时,换热管长度为1000mm的换热器综合性能最优;折流片倾角为45°时,换热管长度为1150mm的换热器综合性能最优;折流片倾角为60°时,换热管长度为1150mm的换热器综合性能最优。以上三种性能最优的换热器与同倾角下换热管长为800mm的换热器相比,单位压降下的传热系数分别提高了2.67%~25.52%、3.38%~17.80%、6.33%~26.88%。(5)当工质为导热油时,垂直式斜折流片管壳式换热器壳侧压降和传热系数随折流片倾角和和壳侧入口速度变化趋势一致,正三角形布管且换热管长度为1000mm时,折流片倾角为45°的垂直式斜折流片换热器综合性能最优。
【学位单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2019
【中图分类】:TB657.5
【部分图文】:

结构图,螺旋槽纹管,结构图


螺旋槽纹管是目前使用较多的强化换热管,其表面经轧制而成的内外槽纹,凸形向内,凹形状向外,与换热管轴线形成一定的倾斜角度,可达到双面强化的效果,其结构如图1-1所示。常见的螺旋槽纹管有单头、多头等类型。1997年Rainieri和Pagliarini实验研究了低雷诺数工况下单头螺旋槽纹管的对流换热性能,实验结果证明槽深、螺距和工质的物性均能影响螺旋槽纹管的换热性能[10]。2001年Yang等[11]实验研究了不同螺旋结构参数下,工质为水和油的换热管的换热性能,结果表明,与光滑圆管相比,其传热系数提高了30%以上。图 1-1 螺旋槽纹管结构图Fig. 1-1 Schematic of spirally corrugated tube2、横纹槽管相比于螺旋槽纹换热管,横纹槽管加工简单,成本更低,也得到了广泛的应用。如图1-2所示,横纹槽管换热管壁面的环形凹槽垂直于管轴线,周期性的内凹,增加了流体的湍流度,对管内流体的扰动作用明显,有效地削弱了管内热边界层,达到强化传热的目的[12]。虽然相同工况下横纹槽管压降要大于光管的压降,但其传热性能要优于光管,且抗垢性能更好。研究表明,影响横纹槽换热管性能的结

横槽,管结构,横纹槽管


2、横纹槽管相比于螺旋槽纹换热管,横纹槽管加工简单,成本更低,也得到了广泛的应用。如图1-2所示,横纹槽管换热管壁面的环形凹槽垂直于管轴线,周期性的内凹,增加了流体的湍流度,对管内流体的扰动作用明显,有效地削弱了管内热边界层,达到强化传热的目的[12]。虽然相同工况下横纹槽管压降要大于光管的压降,但其传热性能要优于光管,且抗垢性能更好。研究表明,影响横纹槽换热管性能的结构参数主要由凹槽间距、凹槽

结构图,波纹管,结构图


3、波纹管波纹管也是一种双面强化换热管,普通光管经过特殊的机械加工工艺,其表面形成连续光滑的周期性变化的曲面,其结构如图1-3所示。流体在换热管内流动,流通截面在周期性变化,流速也随之变化,大截面处流速慢,小截面处流速快,对壁面的换热边界层的冲刷效果明显,因此,此类换热管抗垢性能也很强。同理,壳侧流体掠过波纹管外表面时,也能强化传热。宋景东等[14]通过实验证明:清洁状态下,波纹管强化传热比光管高20%,而在结垢状态下,能提高80%,波纹管更适合在污脏环境下使用。图 1-3 波纹管结构图Fig. 1-3 Schematic of corrugated tube4、翅片管翅片管是指在换热管的内侧或外侧加装翅片
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本文编号:2848753

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