扭转流动传热强化机理和新型高效换热器性能研究

发布时间：2020-06-03 14:10

【摘要】：管壳式换热器作为应用最为广泛的换热设备之一,其是否高效节能对能源的利用与节约至关重要。本文以类梯形倾斜折流板换热器为研究基础,采用理论与数值模拟方法分析了其壳程流体流动与传热特性,并与弓形折流板与帘式折流片换热器进行对比分析。提出了一种滴形管类梯形倾斜折流板换热器,分别对壳程和管程流体流动与传热特性进行分析,结合场协同原理揭示以类梯形倾斜折流板管束支撑结构为基础的流体扭转流强化传热机理。在所研究范围内,主要取得以下成果:类梯形倾斜折流板换热器由于导流板正交装配方式使壳程流体呈现扭转流动状态。在相同壳程雷诺数下,较帘式折流片换热器壳程流体斜向流与弓形折流板换热器壳程流体横向流更加剧烈的冲刷管束,减薄了热边界层厚度,改善了流体速度与温度梯度协同性,提高了壳程流体对流换热强度。类梯形倾斜折流板换热器较弓形折流板换热器对流换热系数高12.43%-24.33%,较帘式折流片换热器高6.71%-11.51%,帘式折流片换热器壳程对流换热系数较弓形折流板换热器高2.53%-5.93%。壳程流体的扭转流动在提高速度与温度梯度协同性时,也降低速度与压力梯度的协同性,即壳程流体流动阻力增大,壳程压降上升。帘式折流片换热器壳程综合性能较弓形折流板换热器低5.7%-16.47%,而类梯形倾斜折流板换热器较弓形折流板换热器高5.85%-9.06%,较帘式折流片换热器高6.71%-11.51%。类梯形倾斜折流板换热器换热管束采用同截面周长滴形管替代传统圆管,计算结果表明:滴形管相对壳程流体来流方向具有更好的流线型,使壳程流体更加接近理想的斜向冲刷管束,速度与温度梯度的协同性得以提高,故滴形管类梯形倾斜折流板换热器壳程对流换热系数较圆管换热器高27.16%-29.71%,流体在滴形管内流动也一定程度上提高了流体速度与温度梯度的协同性,故滴形管侧对流换热系数较圆管高25.63%-28.69%,但同时使壳程与管程流体速度与压力梯度的协同性变差,压降升高,就综合性能仍高于圆管换热器,壳侧高31.47%-35.23%,管侧高8.64%-13.28%。
【图文】：

自支撑,换热管,折流板,支撑结构

速下综合性能较差，由于卡曼涡街和文丘里效应可能会发生剧烈的震动，换热管束失效的可能性较高。（2）换热管束自支撑管束自支撑结构[22]省去了换热管束支撑结构，换热管在换热器壳程排布更加紧凑，一定程度上增加了壳程流体的湍流程度，减小流体层流边界层厚度，同时，由于管形状的变化，强化了管内介质与管壁的传热能力，达到整体强化传热的目的。常见的管束自支撑结构的有变截面管、螺旋扁管、钉头管[24,25]、螺旋肋片[26,27]等。谭祥辉[28,29]对螺旋扁管自支撑换热器壳程性能进行研究发现，其壳程传热性能平均为折流杆换热器的 1.27 倍，压降却为折流杆换热器的 0.27 倍，且随着壳程雷诺数的增大，壳程换热系数增大较折流杆换热器明显；壳程流道膜传热系数和压降均随着管截面长短轴比的增大而增大。刘娇阳[30]研究发现钉头管换热器较弓形折流板换热器具有更好的综合换热性能，对壳程不同传热介质强化换热效果不同，其中对空气表现出较好的传热强化效果。焦凤[31]对影响矩形自支撑缩放管换热器壳程与管程性能的结构参数进行分析，管程和壳程的换热性能会随着缩放节距的减小和肋高的增大而增大，但同时压降也会增大。

折流板,弓形

（双弓形、三弓形）折流板是在单弓形折流板的基础上，增加切口的面壳程呈纵向流动的趋势，减小换热器壳侧流体流动阻力[32,33]。单弓形折高度一般取圆筒内直径的 0.2-0.45 倍[34]。Ambekar[35]研究了不同管束支，换热器壳程换热性能与流体流动性能，结果表明：较单弓形折流板来形折流板换热器壳侧压降只是单弓形折流板换热器的 70%-75%，但同数也有所降低。Gay[36]等人拟合了双弓型折流板换热器壳程传热 J 因子的关系曲线，与单弓形折流板换热器对比发现两条曲线基本呈现平行关栋[37]应用数值模拟方法分析了弓形折流板切口高度、间距对壳程性能并对折流板间距和切口高度同时变化的情况进行优化，，得出结论：随着的增加，壳程换热系数和压降同时下降，在切口比例大于 0.4 情况下，下降较少，但换热系数会急剧下降；当折流板间距较大时，应当采取较高度，反之亦然。为解决单弓形折流板换热器流动传热死区和管束振动[38]等人采用对折流板开小孔的方式，分析结构及操作参数对开小圆孔折流板换热器壳程综合性能的影响，并拟合壳程压降和对流换热系数系式。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK172

【参考文献】