螺纹管内单相流动换热与污垢沉积的数值研究及优化设计

发布时间：2017-12-05 08:38

  本文关键词：螺纹管内单相流动换热与污垢沉积的数值研究及优化设计

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【摘要】：螺纹管作为一种采用粗糙表面强化技术来对换热器进行强化传热的无功强化元件,由于其高效的换热性能、较低的压降损失与大规模生产的低成本,在实际工程中的应用越来越广泛。然而90%以上的换热设备都存在不同程度的污垢沉积问题,结垢问题一旦发生,将给换热器的运行带来很大影响。本文以流动特性分析为基础,结合Kern-Seaton质量平衡模型、冯卡门传热传质类比建立了螺纹管内污垢分析的数学模型,并通过数值方法讨论了螺纹表面几何参数对换热效果、流阻性能与污垢特性的影响。 本论文主要工作如下： (1)对8根不同几何参数螺纹管的传热因子、摩擦系数等进行数值研究,通过对湍流模型的优劣比较与网格无关性验证,解决了选取合适的计算模型以及网格尺寸等数值模拟的关键问题,进而制定出详细的数值模拟方案,将模拟结果与相关实验数据进行对比,验证了论文所选取数值分析方法的准确性。 (2)根据Kern-Seaton质量平衡模型,结合冯卡门传热传质类比建立了传热表面污垢分析的数学模型。基于提出的数学模型对螺纹表面换热效果与污垢特性进行模拟分析,并与相关污垢实验数据进行对比验证,本文所选取模拟方案与实验结果误差在±20%以内,具有一定的工程实用价值。 (3)对螺纹管的主要特征参数：螺纹形状、头数、升角、肋高等进行了一系列的数值研究,采用基于相同泵功的强化因子η’,从强化传热的角度评估了各个几何参数对管内换热效果与流阻性能的影响,并确定了本文所考虑的范围内最有利于强化换热的螺纹参数：螺纹形状宜采用矩形、梯形与顶端夹角较小的三角形；螺纹头数Ns不宜过多,50左右最佳；螺纹升角α最宜为25°-35°；螺纹肋高e在本文考虑的范围内越大越好。 (4)由于污垢会严重威胁换热设备的安全运行,本文在考虑强化传热的基础上,结合实验数据探究了螺纹管几何参数对管内结垢情况的影响,发现管内节距与肋高的比值p/e小于3.5时,将产生十分严重的结垢,因此,本文推荐选用p/e≥3.5的螺纹管以减轻结垢。此时,若Ns=50,α=25°,则可知肋高与管径的比值e/di最大为0.0385。其中,若管径di=15.54mm,e最大为0.6mm。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124

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本文编号：1254246