螺旋折流板换热器强化传热性能研究及新型折流板结构优化

发布时间：2017-11-26 17:28

  本文关键词：螺旋折流板换热器强化传热性能研究及新型折流板结构优化

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【摘要】：作为诸多工业过程中广泛应用的通用设备,管壳式换热器强化传热性能的研究对促进能源、资源利用的最大化,进而达到节能减排的目的具有重要意义。螺旋折流板结构的提出,有效的解决了传统弓形折流板换热器壳程流动存在流动死区、流阻大、易结垢和振动等缺点,受到广泛关注。本文以换热器强化传热研究技术为背景,采用数值研究的方法,壳程介质为常物性液态水,对比分析了不同管束支撑结构下及不同螺旋折流板结构下换热器的流动和传热性能,总结螺旋折流板换热器强化传热机理。创新的提出多种螺旋折流板优化结构,强化换热器传热。本文的主要内容及研究成果如下:(1)通过对比分析和实验验证,确定了换热器的数值计算模型。换热器强化传热研究中,湍流模型采用Realizable k-ε方程模型,压力和速度耦合采用SIMPLE算法,动量、能量、湍动能和湍流耗散率离散采用二阶迎风格式。边界条件为速度进口、压力出口、换热管束壁面温度设置为恒壁温。(2)定量的对比分析了不同管束支撑结构下换热器壳程传热系数、压降和综合性能。壳程雷诺数在2200~6200范围内,杆式支撑和片式支撑结构换热器其壳程传热性能和综合性能均明显小于弓形折流板和四分螺旋折流板换热器。同弓形折流板换热器相比,四分螺旋折流板换热器壳程流动较为均匀,壳程流体充分发展段压力损失表现为沿程损失。弓形折流板换热器壳程温度、速度、压力分布均表现出明显的不连续性,壳程流体充分发展段压力损失表现为沿程损失和局部损失。(3)对比分析了不同螺旋折流板结构下换热器壳程性能。三分螺旋折流板换热器壳程传热系数和壳程综合性能均明显低于连续螺旋折流板和四分螺旋折流板换热器。同连续螺旋折流板换热器相比,四分螺旋折流板换热器壳程流动状态较为复杂,除螺旋流动外,还掺杂有明显的局部斜向流动。连续螺旋折流板换热器壳程流体流动速度场和温度场的协同性较好,性能优于四分螺旋折流板换热器。(4)分析了阻流板及阻流板长度对四分螺旋折流板换热器性能的影响。增加阻流板后,换热器壳程传热性能和综合性能均增大。换热器壳程传热系数和壳程压降均随阻流板长度的增加而增加,折流板螺旋角为15o,当阻流板长度增加到7r/9时,其壳程传热性能基本同阻流板完全堵住三角区时相同,换热器综合性能最优。阻流板长度为7r/9时,四分螺旋折流板换热器壳程传热系数、压降、综合性能较常规螺旋折流板换热器分别增加8.82%~9.61%、8.60%~9.02%、3.44%~5.33%。(5)搭接结构能够明显改善换热器性能,搭接折流板结构下,搭接量为1/4时换热器综合性能达到最大。(6)折面结构能够明显改善换热器性能,折面量为1/5时换热器综合性能达到最大,1/5折面四分螺旋折流板换热器壳程传热系数、压降、综合性能较常规螺旋折流板换热器分别增加11.67%~15.78%、29.57%~30.70%、1.86%~5.45%。(7)提出变角度四分螺旋折流板结构。大螺旋角时,通过减小螺旋折流板壳程进口第一个螺旋周期的螺旋角,能够有效的强化换热器传热,提高换热器壳程综合性能。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK172

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本文编号：1230594