重力热管换热器传热分析与数值模拟

发布时间：2017-08-31 17:34

  本文关键词：重力热管换热器传热分析与数值模拟

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【摘要】：近年来,随着资源的不断开发利用,废热再利用成为了节能环保的有效途径之一。常温与中温热管换热器在余热回收中的应用,可大大提高能源利用率。本文以常温与中温重力热管换热器为研究对象,采用常规设计法来设计热管换热器。采用Fluent软件对换热器内流体流场、温度场及热管工作状态进行模拟仿真;研究了不同运行参数与翅片参数对换热器换热性能的影响,并对其进行优化,得到最佳运行参数与相应的翅片结构参数。主要研究内容及结论如下:(1)对常温重力热管换热器进行数值模拟研究,将热管设置为定热流密度边界条件,对换热器在不同运行参数下的流场及温度场进行模拟分析。为验证文中模拟方法的正确性,将经验计算公式计算结果和模拟计算结果进行对比,对比结果表明选用的模拟计算方法是合理的。(2)对中温重力热管换热器进行数值模拟计算研究,对换热器中蒸发段与冷凝段内的流场与温度场及热管工作状态进行分析。研究结果显示:热流体入口速度较大时,换热器传热效果得到改善,但速度过大时,热管会发生共振现象,因此要将流体的速度控制在合理的范围内;烟气入口温度在733~753K范围内变化时,随着烟气入口温度的增加,换热器的换热性能也有所改善,但相对烟气入口速度对蒸发段与冷凝段内流体温度变化的影响,流体温度受入口温度的影响比较小。当烟气入口速度过大或温度过高时,中温与常温过渡区水热管管内蒸汽温度会高于热管的工作极限温度,会发生爆管现象。为此,根据热管的工作状态,可改变热管的布置,比如增加中温段热管的管排数,改变热管的管间距及热管翅片参数等。(3)为得到中温重力热管换热器的最佳运行参数与结构参数,对热管的翅片参数进行优化研究。分析蒸发段热流体不同入口速度时,不同热管翅片间距、翅片高度、横向管间距以及纵向管间距对平均对流换热系数、换热器总换热量、翅片效率、压降、换热器综合性能评价指标PEC的影响。结果表明:翅片间距取值范围为5~6mm。热管翅片高度取值为12~13mm,横向管间距的最优取值范围为65~70mm。纵向管间距的最优取值范围为55mm~65mm,烟气入口速度为2.5m/s~3m/s时,中温重力热管换热器的换热性能最佳。
【关键词】：重力热管换热器 Fluent 数值模拟研究 热管工作状态
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK172
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 本文研究背景及意义11-12
• 1.1.1 研究背景11
• 1.1.2 研究意义11-12
• 1.2 国内、外研究现状与发展趋势12-15
• 1.2.1 热管换热器在余热回收应用中的研究现状与发展趋势12-13
• 1.2.2 热管换热器数值模拟的研究现状与发展趋势13-15
• 1.3 本文主要研究内容15-17
• 第2章 热管及热管换热器的理论分析17-25
• 2.1 热管的工作原理17-18
• 2.1.1 普通热管的工作原理17
• 2.1.2 重力热管的工作原理17-18
• 2.2 热管的设计18-22
• 2.2.1 热管的工作温度18
• 2.2.2 热管的工质18-19
• 2.2.3 热管的结构与尺寸19-22
• 2.3 热管换热器在应用中的常见问题及对策22-23
• 2.3.1 热管的相容性问题及对策22
• 2.3.2 热管的积灰问题及对策22
• 2.3.3 热管的露点腐蚀及对策22-23
• 2.4 本章小结23-25
• 第3章 热管换热器的设计方法及安全校核25-41
• 3.1 热管换热器设计方法25
• 3.1.1 热管换热器的设计方法研究现状25
• 3.1.2 本文热管换热器设计方法的选取25
• 3.2 热管换热器的设计25-39
• 3.2.1 常规计算26-28
• 3.2.2 热管热阻28-31
• 3.2.3 换热器总换热系数及换热面积31-33
• 3.2.4 热管的工作极限33-36
• 3.2.5 热管内的压力分布36-37
• 3.2.6 管束流动阻力计算37-38
• 3.2.7 热管换热器安全性判据及校核38-39
• 3.3 本章小结39-41
• 第4章 常温热管换热器的数值模拟41-57
• 4.1 计算流体力学41-42
• 4.1.1 CFD数值模拟41
• 4.1.2 Fluent软件41-42
• 4.2 热管换热器的数值模拟研究方法分类及选择42-46
• 4.2.1 热管设置为定壁面温度42-43
• 4.2.2 多孔介质模型43-44
• 4.2.3 耦合源模型44-45
• 4.2.4 定热流密度45
• 4.2.5 本文数值模拟方法的选取45-46
• 4.3 常温热管换热器数值模拟46-50
• 4.3.1 物理模型46-48
• 4.3.2 网格无关性的检查48
• 4.3.3 控制方程48-49
• 4.3.4 热管热流密度的确定49-50
• 4.3.5 边界条件50
• 4.4 模拟结果分析50-54
• 4.4.1 流场特性分析50-52
• 4.4.2 流体传热特性分析52-54
• 4.5 模型验证与误差分析54-56
• 4.5.1 模型验证54-55
• 4.5.2 误差分析55-56
• 4.6 本章小结56-57
• 第5章 中温热管换热器的模拟计算与优化研究57-85
• 5.1 中温热管换热器的设计57
• 5.2 中温热管换热器的数值模拟研究57-60
• 5.2.1 物理模型57-59
• 5.2.2 控制方程59
• 5.2.3 边界条件59-60
• 5.3 模拟结果分析60-66
• 5.3.1 流场特性分析60-62
• 5.3.2 传热特性分析62-66
• 5.4 中温热管换热器的优化研究66-82
• 5.4.1 优化参数的选取66-67
• 5.4.2 换热器性能评价指标67-68
• 5.4.3 数据处理方法68-69
• 5.4.4 翅片参数对换热器性能的影响分析69-76
• 5.4.5 管束间距对换热器性能的影响分析76-82
• 5.5 本章小结82-85
• 第6章 总结与展望85-87
• 6.1 总结85-86
• 6.2 展望86-87
• 参考文献87-91
• 攻读硕士学位期间发表的论文91-93
• 致谢93

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本文编号：766955