换热器中单管流动和传热的CFD模拟

发布时间：2017-06-02 06:14

  本文关键词：换热器中单管流动和传热的CFD模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：换热器是化工、石油和动力等许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位，为了适应换热和节能的需要，开发和设计新型换热器提高换热效率是发展的方向。降膜式换热器以较高的换热效率，更小的换热体积和低制冷剂注入量等优点得到广泛的应用。将降膜式换热器作为研究对象，对其进行抽象简化获得数值模型，采用单元流道法研究水平管外流动和传热性能，为结构的改进提供理论根据。 降膜式换热器的典型特征就是换热元件外的连续流动的液膜，本文采用CFD模拟的方式建立适当的数值模型研究液膜的流动和传热性能。由于流动是传热的基础，传热是流动的目的，因此没有对流动特征的详细了解去研究传热难度比较大。二维模拟是三维模拟的基础，二维模拟能节省大量计算内存和计算时间，加快收敛速度。 对于三维流动主要以覆盖面积和持液量为研究对象，研究了管径、工质物性和进料高度等因素对液膜流动的影响，，主要为获得更大面积的连续流动薄膜，尽量获得传热系数高、体积小、制造成本低的理想设备。 三维传热的研究以传热系数的高低作为评估标准，在具备管外液膜连续完全覆盖的理想情况下，研究了不同换热壁面规格、不同模式和不同喷淋量对传热系数的影响，并考察其对传热系数影响的程度，确定主要和次要因素，进而为工艺设备的设计和开发提供适当的参数。 提高或改善换热器的换热性能，不仅可以采用降膜式，而且可以通过改变换热元件的表面结构，增加壁面处的扰动产生局部二次流，降低了边界层的厚度或者引起流动方向的改变导致边界层分离。文中研究了波节管、螺旋槽管和螺旋纹管三种强化管的传热系数和摩擦系数等特征，而结构的变化引起摩擦系数的增加，导致能量损耗增加，因此引入综合系数性能参数，其数值越大换热性能越好。 不过由于模拟采用单元流道方法，因此具有一定的局限性，但其研究结果仍然为换热器的设计提供了一定的理论根据，将来可以考虑采用整体结构数值模拟使其更贴近工艺设备需求。
【关键词】：换热器 液膜 流动 传热 CFD
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK124;TK172
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 文献综述8-19
• 1.1 引言8-9
• 1.2 喷淋式蛇管换热器的研究9-13
• 1.2.1 喷淋式蛇管换热器工作原理9-10
• 1.2.2 换热性能的因素及研究进展10-13
• 1.3 管壳式换热器的研究13-17
• 1.3.1 管壳式换热器工作原理13-14
• 1.3.2 换热元件强化传热的研究14-17
• 1.4 课题分析及意义17-19
• 第二章 2D 水平圆管外液膜流动特征的 CFD 模拟19-32
• 2.1 引言19
• 2.2 物理模型的建立19-21
• 2.3 数学模型21-25
• 2.3.1 控制方程21-22
• 2.3.2 动量源相的确定22-23
• 2.3.3 基本假设23
• 2.3.4 条件设置23-24
• 2.3.5 网格无关性24-25
• 2.4 计算结果与讨论25-30
• 2.4.1 不同平面液膜速度分布特征25-26
• 2.4.2 液膜厚度的分布特征26-27
• 2.4.3 进料高度对流动影响27-28
• 2.4.4 次管液膜流动特征28-30
• 2.5 模拟可靠性验证30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第三章 3D 圆管外液膜流动特征的 CFD 模拟32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 物理模型32-33
• 3.3 数据计算33-35
• 3.3.1 覆盖面积的面积分33-34
• 3.3.2 持液量的体积分34
• 3.3.3 统计数据34-35
• 3.4 模拟结果与讨论35-43
• 3.4.1 管径的影响35-37
• 3.4.2 工质的比较37-41
• 3.4.3 进料高度的影响41-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第四章 圆管外理想液膜传热的 CFD 模拟44-54
• 4.1 引言44
• 4.2 物理模型44-46
• 4.3 数学模型46-49
• 4.3.1 控制方程46
• 4.3.2 基本假设46
• 4.3.3 条件设置46-47
• 4.3.4 数据计算47-49
• 4.4 计算结果与讨论49-53
• 4.4.1 换热管壁规格的影响49-51
• 4.4.2 降膜式和满液式传热效果51-52
• 4.4.3 喷淋密度对传热的影响52-53
• 4.5 本章小结53-54
• 第五章 强化管传热的 CFD 模拟54-66
• 5.1 引言54-55
• 5.2 物理模型及结构参数55-56
• 5.3 数据计算56-58
• 5.4 计算结果与讨论58-63
• 5.4.1 不同强化管温度分布58-59
• 5.4.2 不同强化管摩擦系数分布59-61
• 5.4.3 不同强化传热系数和综合性能61-63
• 5.5 模拟可靠性验证63-65
• 5.6 本章小结65-66
• 第六章 结论与展望66-68
• 6.1 结论66-67
• 6.2 展望67-68
• 符号说明68-69
• 参考文献69-73
• 发表论文和参加科研情况说明73-74
• 致谢74

【参考文献】

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