冷凝器换热管内插螺旋片液固两相流传热性能研究

发布时间：2020-05-26 10:55

【摘要】：对于化石能源枯竭和能源环境污染问题,世界各国都制定能源发展战略,以实现经济持续发展、资源有效利用、环境不断改善的目标。换热器广泛应用于石油、化工、能源及制药等行业中。换热器是装备制造业的基础设备,换热器的生产和使用更加节约、优质、清洁和安全是实现可持续发展的基本方法。提高换热器传热效率,防止传热面污垢沉积是提高换热效率的重要措施,对国家的可持续发展战略具有重要的现实意义和社会效益。本文运用管内插螺旋片液固两相流的复合强化传热技术,针对该技术对换热管传热性能的影响开展工作。简要介绍内插螺旋片和通入固体颗粒复合强化传热技术的基础理论,为后期数值模拟提供理论依据。通过数值计算对影响换热管传热性能的参数如螺旋片的片高,螺旋片的螺距,螺旋片的间距,固体颗粒的体积浓度以及颗粒直径进行优化研究,获得影响换热管内插螺旋片液固两相流传热性能的优化参数组合。本文主要工作和研究的结果如下:首先根据换热管实际工程问题,建立合适的数学模型。对相应的计算域进行网格划分后,利用Fluent软件对换热管三维物理模型的求解计算域进行数值模拟,研究分析内插螺旋片并加入固体颗粒对换热管传热性能和阻力性能的影响。并结合判定综合传热性能的评价指标的分析,对内置螺旋片并加入固体颗粒的换热管的传热性能进行综合评价。其次采用Fluent软件对换热管内插螺旋片并加入颗粒的传热特性和阻力特性进行数值仿真,分析了螺旋片的片高,螺旋片的螺距,螺旋片的间距,固体颗粒的体积浓度以及颗粒直径等五个参数对换热管传热和沿程阻力的影响。结合传热性能的综合评价准则数的分析,综合考量上述五个参数对内插螺旋片并通入颗粒的换热管综合传热性能的影响。研究发现:换热管内插螺旋片使管内流体产生旋转,促进径向混合,且流体受到固体颗粒的扰动及固体颗粒对壁面的碰撞,扰动了流体的温度边界层和速度边界层。强化传热性能的同时伴随着阻力性能的提高,相较于光管,换热管内插螺旋片液固两相流的综合传热性能显著增强,为换热管各结构参数的优化研究提供了参考方向。最后在正交试验法基础上,对螺旋片的片高h,螺旋片的螺距s,螺旋片的间距l,固体颗粒的体积浓度c以及颗粒直径d等参数进行优化研究。研究结果表明:各参数对换热管内插螺旋片液固两相流传热性能的影响程度,螺旋片的螺距影响最大,其次是颗粒的直径和螺旋片的片高,最后是螺旋片的间距和颗粒的浓度;基于本文所研究的模型结构及参数选定范围,螺旋片的螺距对换热管综合性能影响最大,螺旋片的间距和颗粒浓度对换热管综合性能的影响效果相近;并得到影响换热管综合性能的最优化参数组合,分别为螺旋片的片高h=4mm,螺旋片的螺距s=60mm,螺旋片的间距l=400mm,颗粒的体积浓度c=5%以及颗粒直径d=1.2mm。结合对数值计算结果的速度场和温度场的分析,该参数组合的管子综合传热性能确实得到显著提升。
【图文】：

入口段,发展状况,圆管,流体

图 2.1 流体在圆管入口段内的发展状况Fig.2.1 The development of fluid at the inlet of the tube流道在整个入口段内的压降可用下式表示：pkdxUP=+Δθξρ201/2……………………………:0U 为来流速度， ρ 为流体的密度， ξ 是完全稳定流动的摩擦阻力系当量直径，pk 为考虑入口段内附加压力损失的参数。参数pk 包括消耗于稳定流速分布形成过程中的附加压降。当流道内流过程完成时，pk 值即成为常量，表示全入口段内的压力损失究竟比稳况增加多少。对于各种不同形状的流道，参数pk 可用一个综合式来表dFUuUuFkFp =020302………………………

流速分布,近壁区,流速分布,情况

道由若干弯曲或转折表面构成时，可以观著的变化。当无界流掠过物体时，在物体物的液体。然而，在流道内部的全部表面体发生作用，而且其中的大型漩涡的尺寸，当流动发展阶段完成之后，，其平均液流不再发生变化，这就是流动达到了充分发工况相比，流体的速度在流道截面上的变生在占直径 15%的近壁面的区域[53]。近壁。图中数字 1~4 依次对应的区域是：粘性心。字母 A、B、C 对应的是近壁层、粘
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE965

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