闭式冷却塔中水平椭圆管传热传质性能研究

发布时间：2017-09-26 16:24

  本文关键词：闭式冷却塔中水平椭圆管传热传质性能研究

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【摘要】：工业生产中所用的冷却塔因冷却水与空气直接接触,水质容易受污染,闭式冷却塔因其环保、节能、洁净等优点,广泛应用于化工、冶金等行业。换热盘管作为闭式冷却塔的关键部件,其管型可对提高闭式冷却塔的换热性能起到重要影响。基于这样的背景,本文通过对闭式冷却塔(上填料下盘管型)中的椭圆管进行Matlab数值计算和CFD模拟,对其传热传质性能进行分析。主要研究工作和结论如下:本文针对水平管外液体降膜流动建立了理论模型,应用CFD数值模拟的方法对不同长短轴比(a/b=1.5、2、3、4)的椭圆管管外液体降膜流动形态及液膜分布进行了数值研究。通过改变不同管外喷淋密度时水平椭圆单管外降膜流动,计算拟合得到不同长短轴比的椭圆管管外喷淋水膜对流传热系数,为本文闭式冷却塔的设计计算和Matlab模型预测提供依据。模拟结果表明椭圆管型的水膜对流传热系数随喷淋水流量的增大而增加。对管外喷淋密度为0.015至0.045kg/(m·s)的范围内,在相同工况条件下,随着长短轴比的增加,椭圆管的水膜对流传热系数逐渐减小。长短轴比为1.5的椭圆管的水膜对流传热系数最大,分别比长短轴比为2、3、4高6.8%-10.4%,21.1%-28.5%,47.9%-66.9%。本文从传热传质基本原理出发,用Poppe法分析了椭圆管闭式冷却塔的热力性能,构建了椭圆管闭式冷却塔的数值计算微分方程,利用有限差分法离散,建立椭圆管闭式冷却塔冷却水顺流式和逆流式的数学模型。利用本文拟合得到的不同长短轴比的椭圆管管外喷淋水膜对流传热系数,编制椭圆管闭式冷却塔Matlab设计校核程序,对闭式冷却塔中的椭圆管传热传质性能进行分析。为了检验Matlab模型的正确性,将模型运行工况设置为与现已有实验研究相应的工况,将模拟计算所得结果与现已有实验研究结果进行对比,得到计算值与实验值的最大误差率为16%,说明该数学模型准确性满足实际工程,同时可证明对拟合的管外水膜传热系数经验公式合理。本文对冷却水方向为顺流情况下闭式冷却塔Matlab模型进行模拟计算,研究椭圆管型闭式冷却塔性能的结构因素(换热盘管管径)和影响椭圆管型闭式冷却塔性能的运行因素(管内冷却水质量流量、喷淋密度、空气湿球温度、空气质量流量)对不同长短轴比椭圆管闭式冷却塔的换热性能的影响。结果表明,闭式冷却塔分别在不同管内冷却水质量流量、喷淋密度、空气湿球温度、空气流量等性能参数及管径等结构参数影响下,相同运行工况时,长短轴比为a/b=2的椭圆管具有最好的冷却效果。其冷却水进出口温差分别比a/b=1.5、3、4大1.65%~21.9%、4.40%~36.90%和2.94%~39.6%,其冷却效率分别比a/b=1.5、3、4高1.01%~22.28%、3.12%~54.06%和0.39%~55.32%。本文针对具有换热性能最好的长短轴比为a/b=2的椭圆管,通过Matlab模拟计算,研究了在顺流和逆流两种不同冷却水流向对该闭式冷却塔内流体温度、焓值分布以及换热性能影响的比较。结果表明,顺流时具有更大的冷却水进出口温差以及更好的冷却效率。在相同运行工况条件下,顺流的冷却效率比逆流的高8.5%。本文通过Matlab模拟计算,将具有换热性能最好的长短轴为a/b=2的椭圆管与圆管的闭式冷却塔换热性能进行分析比较,设定椭圆管长半轴为8.2mm,短半轴为4.1mm。选用与该椭圆管具有相同截面周长39.88mm的圆管,其直径为12.7mm。结果表明在同一工况下,椭圆管闭式冷却塔的冷却水进出口温差比圆管闭式冷却塔的大1.57%~16.82%,椭圆管闭式冷却塔的冷却效率比圆管的高0.76%~7.75%。由此得到在标准工况下,a/b=2的椭圆管型比与其换热表面积相同的圆管的冷却效果更好。
【关键词】：闭式冷却塔 椭圆管 降膜蒸发 传热传质
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 主要符号表11-12
• 第一章 绪论12-32
• 1.1 研究背景12-14
• 1.2 闭式冷却塔简介14-19
• 1.3 水平管降膜蒸发19-27
• 1.4 椭圆管研究现状27-30
• 1.5 本文研究内容及意义30-32
• 第二章 椭圆管型管外液膜传热传质数值模拟32-47
• 2.1 水平管外液体降膜流动控制方程32-33
• 2.2 多相流计算模型33-35
• 2.3 压力速度耦合算法35-39
• 2.4 水平椭圆管外降膜对流传热理论模型的建立39-42
• 2.5 椭圆管型管外水膜流动及传热传质分析42-46
• 2.6 本章小结46-47
• 第三章 椭圆管型闭式冷却塔传热传质数学模型47-63
• 3.1 填料部分传热传质分析48-51
• 3.2 盘管部分传热传质分析51-55
• 3.3 边界条件55-56
• 3.4 模型所涉及物性参数及经验公式56-60
• 3.5 数学模型的模拟计算方法60-62
• 3.6 本章小结62-63
• 第四章 椭圆管型闭式冷却塔冷却性能的模拟分析63-78
• 4.1 模拟结果的实验验证63-65
• 4.2 影响椭圆管型闭式冷却塔性能的因素65-73
• 4.3 最佳性能的椭圆管长短轴比73-75
• 4.4 冷却水流向对性能的影响75-76
• 4.5 本章小结76-78
• 第五章 椭圆管与圆管型闭式冷却塔冷却性能的比较分析78-84
• 5.1 冷却水进出口温差比较79-81
• 5.2 冷却效率比较81-82
• 5.3 本章小结82-84
• 第六章 结论与展望84-86
• 6.1 结论84-85
• 6.2 展望85-86
• 参考文献86-93
• 攻读硕士学位期间科研成果93-94
• 致谢94

【参考文献】

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本文编号：924557