非牛顿纳米流体在螺旋隔板强化管换热器壳程的传热与流阻特性研究

发布时间：2017-08-09 15:19

  本文关键词：非牛顿纳米流体在螺旋隔板强化管换热器壳程的传热与流阻特性研究

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【摘要】：18世纪以来,能源一直起着推动人类和经济发展的重要角色,但人类对能源日益增长的、难以满足的需求衍生出十分严峻的环保问题和可持续发展问题,提高能源利用率,提升生产效率,实现节能减排,已成为大势所趋。非牛顿流体广泛应用在石油工业、食品工业等涉及换热过程的行业,就目前而言,大部分应用领域中的非牛顿流体均有着较大粘度、低雷诺数等特点,并带来了传热难题,因此,有必要开展强化非牛顿流体传热的研究。管壳式换热器占整个换热器市场55-70%左右,国内外对其研究与改良虽已趋于成熟,却很难发现有关于非牛顿流体在高效管壳式换热器中的强化传热研究报道。本文以质量浓度为0.2%的黄原胶(XG)的水溶液作为非牛顿流体基液,在基液中添加不同质量的多壁碳纳米管(MWCNTs)形成质量浓度分别为0.2%、0.5%和1.0%的MWCNTs/XG纳米流体,并通过流变特性测试发现其具有剪切稀化特性,是典型的假塑型流体,属于非牛顿流体。通过热导率测试可以判断,MWCNTs/XG非牛顿纳米流体的热物性比基液优异。本文通过实验研究了基液、0.2wt%、0.5wt%和1.0wt%的MWCNTs/XG非牛顿纳米流体在螺旋隔板翅片管换热器和螺旋隔板椭圆管换热器壳程的传热与流阻特性。实验结果表明,与基液相比,质量分数分别为0.2%、0.5%和1.0%的MWCNTs/XG在翅片管换热器壳程流动时,总传热系数平均提高了4.6%、13.8%和19.0%,壳程对流传热系数平均提高了4.7%、13.2%和24.3%,努赛尔特数平均增长了6.2%、13.9%和23.9%,摩擦系数平均提升了2.8%、4.5%和8.5%,而在椭圆管换热器壳程流动时,总传热系数平均增大了6.0%、14.0%和22.0%,壳程对流传热系数平均提高了9.0%、39.1%和50.5%,努赛尔特数平均增长了11.0%、21.0%和35.0%,摩擦系数平均提升了7.1%、19.4%和31.2%。实验中所有综合热性能因子都大于1。基于传热实验数据,本文提出了MWCNTs/XG非牛顿纳米流体在螺旋隔板翅片管换热器和螺旋隔板椭圆管换热器壳程的努赛尔特数和摩擦系数拟合关系式,所有拟合值与实验值偏差在±10%以内。
【关键词】：非牛顿纳米流体 螺旋隔板 翅片管 椭圆管 强化传热
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.5
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 主要符号表11-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 前言13-14
• 1.2 非牛顿纳米流体的研究进展14-18
• 1.2.1 纳米流体的研究进展14-15
• 1.2.2 非牛顿流体的研究进展15-17
• 1.2.3 非牛顿纳米流体在传热领域的研究进展17-18
• 1.3 管壳式换热器传热技术的研究进展18-21
• 1.3.1 隔板技术的研究进展18-20
• 1.3.2 强化管技术的研究进展20-21
• 1.4 非牛顿纳米流体在管壳式换热器中的研究进展21-22
• 1.5 本课题的研究内容及创新之处22-24
• 1.5.1 本课题的研究内容22-23
• 1.5.2 本课题的创新之处23-24
• 第二章 非牛顿纳米流体的制备与热物性分析24-36
• 2.1 非牛顿纳米流体的制备24-25
• 2.1.1 基液的制备24
• 2.1.2 MWCNTs /XG非牛顿纳米流体的制备24-25
• 2.2 非牛顿纳米流体的流变特性分析25-28
• 2.3 非牛顿纳米流体的粒径、密度及稳定性测试28-31
• 2.3.1 实验工质的粒径测试28-29
• 2.3.2 实验工质的密度测试29-30
• 2.3.3 实验工质的稳定性测试30-31
• 2.4 非牛顿纳米流体的热导率与比热容测试31-35
• 2.4.1 实验工质的热导率测试31-33
• 2.4.2 实验工质的比热容测试33-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 实验系统与方法36-48
• 3.1 实验系统36-43
• 3.1.1 实验流程36-38
• 3.1.2 换热器结构38-40
• 3.1.3 强化管结构40-41
• 3.1.4 实验其他设备41-43
• 3.2 实验方法43-47
• 3.2.1 前期准备43-45
• 3.2.2 实验测量45
• 3.2.3 实验步骤45-47
• 3.3 本章小结47-48
• 第四章 实验数据处理及误差分析48-59
• 4.1 实验数据处理48-54
• 4.1.1 总传热系数的计算48-49
• 4.1.2 螺旋隔板翅片管换热器壳程对流传热系数的计算49-51
• 4.1.3 螺旋隔板翅片管换热器壳程努赛尔特数、雷诺数和普朗特数的计算51-52
• 4.1.4 螺旋隔板椭圆管换热器壳程对流传热系数的计算52-53
• 4.1.5 螺旋隔板椭圆管换热器壳程努赛尔特数、雷诺数和普朗特数的计算53-54
• 4.2 实验误差分析54-57
• 4.2.1 实验热平衡偏差54
• 4.2.2 实验不确定性分析54-55
• 4.2.3 总传热系数不确定性分析55-57
• 4.2.4 壳程传热系数和努赛尔特数不确定性分析57
• 4.2.5 摩擦系数不确定性分析57
• 4.2.6 螺旋隔板椭圆管换热器壳程的努赛尔特数和摩擦系数不确定性分析57
• 4.3 本章小结57-59
• 第五章 实验结果和讨论59-77
• 5.1 螺旋隔板翅片管换热器壳程传热与流阻特性研究59-68
• 5.1.1 壳程总传热系数与壳程对流传热系数的研究59-61
• 5.1.2 壳程努赛尔特数的研究61-62
• 5.1.3 壳程压降与摩擦系数的研究62-63
• 5.1.4 螺旋隔板翅片管换热器热阻的研究63-64
• 5.1.5 非牛顿纳米流体综合热性能因子的研究64-66
• 5.1.6 壳程的努赛尔特数和摩擦系数的拟合研究66-68
• 5.2 螺旋隔板椭圆管换热器壳程传热与流阻特性研究68-75
• 5.2.1 壳程总传热系数与壳程对流传热系数的研究68-70
• 5.2.2 壳程努赛尔特数的研究70-71
• 5.2.3 壳程摩擦系数的研究71
• 5.2.4 螺旋隔板椭圆管换热器热阻的研究71-72
• 5.2.5 非牛顿纳米流体综合热性能因子的研究72-73
• 5.2.6 壳程努赛尔特数和摩擦系数的拟合研究73-75
• 5.3 本章小结75-77
• 结论与展望77-79
• 参考文献79-86
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果86-87
• 致谢87-88
• 附件88

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