定型机蒸汽换热器的数值分析与优化设计

发布时间：2017-08-31 01:25

  本文关键词：定型机蒸汽换热器的数值分析与优化设计

  更多相关文章： 数值模拟 换热器 凝结传热 两相流 参数优化

【摘要】：换热器被广泛应用于机械、动力、运输、空调、制冷、低温、热量回收、替代燃料和制造领域中。相较于传统的工业用换热器,热定型机蒸汽换热器需要更大的蒸汽流量。平均每台定型机消耗蒸汽大约0.5-1.2吨每小时。因此,对热定型机蒸汽换热器进行优化设计,提高换热器的热交换率后,将会明显提高此类蒸汽换热器的节能水平。针对此问题,本文将定型机蒸汽换热器分为管程传热与壳程传热两个部分,分别对两者的流动与换热过程进行数值模拟分析。在管程传热中,本文选择在水平换热管中插入芯棒来对其进行结构优化,并通过数值模拟的方式分析不同的芯棒直径与管子直径的比值下水平换热管传热性能的变化,并寻找最优的芯棒直径与管子直径比值。经过模拟分析,可知在水平管内加入芯棒能够提高管内混合相流体的速度梯度,增加冷凝传热效果。在含芯棒水平管中,水平管的换热效率随着管径比的增加而增加,当直径与管子直径比值在0.517和0.571的范围内时,水平管换热效率最高。当直径与管子直径比值高于0.571时,换热效率逐渐下降。含芯棒水平换热管中,随着直径与管子直径比值的增加,协同性能变好,当H/D大于0.517时效果更为明显。在壳程传热中,本文通过数值模拟的方式对螺纹翅片管的结构参数进行分析,并寻找翅片结构参数的最优值。之后根据场协同理论对分析结果进行对比与验证。根据模拟结果,翅片间距对翅片管换热系数的影响最大,其次是翅片高度,翅片厚度对翅片管换热系数的影响最小。同时,在一定范围内,翅片间距降低,翅片高度增加,翅片厚度减小都能够提高翅片管换热系数。同时随着翅片间距的降低,翅片高度的增加以及翅片厚度的减小,翅片管平均压降也将增大,说明翅片管换热系数增大的趋势将逐渐减缓甚至消失。同时,对换热管进行管间距和管束排列的方式进行研究。考察这两个因素对换热器换热性能的影响,探索换热管束不同管束排列方式在横向管间距上强化传热的最优参数。通过数值模拟对顺排、叉排两种排列方式进行对比后发现,差排管束排布时的流体在不断收缩和扩张的通道内流动,比顺排管束排布时的流体流动湍流强度更大,因此叉排不易在管子及翅片下游区域形成滞流区,叉排管束排布的传热效果要明显优于顺排换热器的传热效果。计算结果表明叉排时平均Nu比顺排时大25.3%。这个结果表明,相同管间距下顺排管束的换热效果不及叉排,但管外流动阻力的降低幅度要小。在本文的模拟研究参数范围内,水平间距对于热管换热器的传热能力存在最佳位置。本文选用翅片间距10mmm,翅片高度6mm以及翅片厚度1mm的热管模型做管束排布,其顺排时,最佳水平间距为110mm；叉排时,最佳水平管间距为50mm。
【关键词】：数值模拟 换热器 凝结传热 两相流 参数优化
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK172
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 课题背景及意义11
• 1.2 强化传热技术研究进展11-14
• 1.3 列管式换热器相变传热与两相流动研究14-16
• 1.3.1 列管式换热器相变传热研究进展14-15
• 1.3.2 两相流动理论研究的进展15-16
• 1.4 本文主要的工作16-18
• 2 换热器管程与壳程换热理论分析18-29
• 2.1 管程换热理论分析18-22
• 2.1.1 管程两相流流型分析18-19
• 2.1.2 管程两相流动过程分析19
• 2.1.3 管内凝结传热分析19-22
• 2.2 壳程换热理论分析22-26
• 2.2.1 翅片管导热分析22-25
• 2.2.2 对流传热分析25-26
• 2.3 传热理论数值计算26-27
• 2.3.1 有限体积法26
• 2.3.2 离散格式26-27
• 2.4 本章小结27-29
• 3 管程强化传热数值模拟29-44
• 3.1 FLUENT多相流模型29-30
• 3.2 含芯棒水平管管内冷凝模拟设置30-35
• 3.2.1 物理模型与结构参数30-31
• 3.2.2 控制方程31-33
• 3.2.3 滑流速度和漂移速度方程33
• 3.2.4 两相流计算方法33-34
• 3.2.5 模型边界条件34-35
• 3.2.6 数值离散及其求解器设置35
• 3.3 管程数值模拟结果分析35-43
• 3.3.1 从两相流动情况分析芯棒对管内换热的影响35-40
• 3.3.2 从凝结传热分析芯棒对管内换热的影响40-43
• 3.4 本章小结43-44
• 4 壳程强化传热数值模拟44-64
• 4.1 螺旋翅片管模型与前处理44-45
• 4.2 旋翅片管结构参数影响分析45-50
• 4.2.1 翅片间距传热性能分析46-47
• 4.2.2 翅片高度传热性能分析47-48
• 4.2.3 翅片厚度传热性能分析48
• 4.2.4 翅片结构参数场协同分析48-50
• 4.3 翅片参数传热效果模拟验证50-51
• 4.4 管束排布模拟分析51-62
• 4.4.1 管束排布计算模型53
• 4.4.2 模型网格划分53-55
• 4.4.3 模型边界条件55
• 4.4.4 管束排列方式及管间距传热影响分析55-57
• 4.4.5 不同管间距流速换热影响分析57-61
• 4.4.6 管间距对传热性能影响的协同场分析61-62
• 4.5 本章小结62-64
• 5 总结与展望64-66
• 5.1 总结64-65
• 5.2 展望65-66
• 参考文献66-70
• 攻读硕士学位期间研究成果70-71
• 致谢71

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;汽水混合换热器的实验研究和性能计算[J];力学与实践;1985年01期

2 沈骏德,谭唯一;管状换热器使用技术总结[J];冶金能源;1986年02期

3 李焰;谈金属对流换热器效率的评价[J];冶金能源;1991年03期

4 宋可总;一种新型结构换热器设备的研究[J];山东省农业管理干部学院学报;2001年03期

5 盖美萍,王有旭;新型板液式换热器的设计与研制[J];机械研究与应用;2002年03期

6 卢洪波,崔国民,李美玲,蔡祖恢;多股流换热器优化运行和控制研究[J];工程热物理学报;2003年03期

7 郝锦晋;浅谈节能高效的设备——半即热式换热器[J];山西食品工业;2003年02期

8 姜培学 ,李勐 ,马永昶 ,任泽霈;微型换热器的实验研究[J];压力容器;2003年02期

9 高红,陈旭,朱企新;微型换热器研究进展[J];化工机械;2004年04期

10 崔国民,杜娟丽,卢洪波,李美玲,张勤;多股流换热器的柔性特性及柔性设计研究[J];工程热物理学报;2005年S1期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 刘世平;刘丰;郭宏新;;高效特型管换热器在石油化工中的应用[A];2006年石油和化工行业节能技术研讨会会议论文集[C];2006年

2 杨文峰;;锆换热器的设计和制造技术[A];全国第四届换热器学术会议论文集[C];2011年

3 汪波;茅靳丰;耿世彬;韩旭;魏鹏;;国内换热器的研究现状与展望[A];第四届全国人防工程内部环境与设备研讨会论文集[C];2010年

4 陈秋炀;曾敏;张冬洁;杨剑;王秋旺;;高温换热器研究开发进展[A];2006年石油和化工行业节能技术研讨会会议论文集[C];2006年

5 陈磊;苑中显;;关于换热器冷、热流体流速匹配的寻优问题[A];2006年石油和化工行业节能技术研讨会会议论文集[C];2006年

6 唐浩;;高效小温差换热器在化工企业中的应用[A];2013年火电厂污染物净化与绿色能源技术研讨会暨环保技术与装备专业委员会换届（第三届）会议论文集[C];2013年

7 张平;;石化行业压缩机级间换热器检测方法[A];中国化工学会2009年年会暨第三届全国石油和化工行业节能节水减排技术论坛会议论文集（上）[C];2009年

8 姚杨;宋艳;;污水源热泵系统中多级淋激式换热器的设计[A];全国暖通空调制冷2004年学术文集[C];2004年

9 郭佳;崔国民;吕岩岩;高孝忠;;变工况下多股流换热器通道排列设计工况点研究[A];中国化工学会2008年石油化工学术年会暨北京化工研究院建院50周年学术报告会论文集[C];2008年

10 余晓明;徐亮;邵乃宇;;空调换热器的性能试验研究[A];上海市制冷学会二○○一年学术年会论文集[C];2001年

中国重要报纸全文数据库 前3条

1 本报记者 张子瑞　通讯员 孙艳玲;国内首台超大型换热器研制成功[N];中国能源报;2009年

2 中国重型机械工业协会名誉理事长 汪建业　四平市换热器协会会长 任俊超;四平——具有独特优势的中国换热器城[N];吉林日报;2010年

3 危良才;环缝式高温金属换热器[N];中国建材报;2002年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 刁乃仁;地热换热器的传热问题研究及其工程应用[D];清华大学;2005年

2 周森泉;换热器温差场均匀性原则及其应用[D];清华大学;1995年

3 柳雄斌;换热器及散热通道网络热性能的火积分析[D];清华大学;2009年

4 董涛;微管道换热器内微流体的流动与换热[D];南京理工大学;2003年

5 文键;基于PIV技术的换热器内部场分布特性研究[D];西安交通大学;2006年

6 王润涛;机房用乙二醇换热器优化控制的研究[D];东北农业大学;2012年

7 王伟平;大型冷箱内换热器及其配管系统的流体均配与传热优化研究[D];浙江大学;2014年

8 杜春涛;矿井回风喷淋换热器气液两相流仿真及实验研究[D];中国矿业大学（北京）;2014年

9 魏唐棣;地源热泵地下套管式埋管换热器性能研究[D];重庆大学;2001年

10 郑继周;弹性管束换热器各组件动态特性研究[D];山东大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 沈晓懿;一种热交换器的设计及在低温下的可靠性研究[D];昆明理工大学;2015年

2 蔡玲玲;燃气锅炉冷凝换热器传热与流动特性研究[D];湖南工业大学;2015年

3 张振涛;利用热泵系统回收矿井排风余热的研究[D];西安建筑科技大学;2015年

4 张锋;换热器表面污垢形成过程模拟研究[D];苏州大学;2015年

5 杨俊威;水产品解冻冷能回收用换热器开发研制[D];浙江大学;2015年

6 李迎凯;基于热流固耦合的微型换热器设计方法研究[D];南昌大学;2015年

7 孙长久;变声速增压换热器工艺参数及性能分析研究[D];辽宁科技大学;2015年

8 王冰轮;基于知识工程的换热器类型和强化传热形式合理化研究[D];北京化工大学;2015年

9 周晓;乙烯裂解车间换热器在线清洗技术的研究[D];北京石油化工学院;2015年

10 熊文倩;机载三股流换热器优化设计研究[D];南京航空航天大学;2014年

，

本文编号：762641