基于复杂绕流管束的换热器开发及传热强化机制研究

发布时间：2020-11-15 04:49

　　 随着我国经济发展进入新阶段,以能源为中心的环境问题日益突出。在石化能源领域应用最广泛的管壳式换热器,其高效节能的设计开发一直是研究热点。笔者在复杂绕流管束换热器的研究基础上,提出一种复杂流态的异形片式倾斜折流栅换热器。采用机理分析、数值计算和实验结合的方法对其壳程流动传热进行研究。研究内容和结论如下:1.基于流体复杂流态提出一种异形片式倾斜折流栅换热器,与常规帘式折流片换热器和异形折流片换热器就壳程性能进行对比。结果表明:雷诺数在6000~10000范围内,异形片式倾斜折流栅换热器壳程传热系数、压降、综合性能均高于常规帘式折流片换热器和异形折流片换热器;异形片式倾斜折流栅换热器结构紧凑,折流片与换热管之间的射流和流体经过正弦型折流片形成的螺旋流动提高了流体湍动程度,削弱边界层,增强传热。倾斜设置的折流栅改变流体流动路径,强化速度的递接作用,增大斜向流动面积,提高换热面积的利用率。但同时由于紧凑的布局,流体冲刷折流片时会增加壳程流体阻力,产生较大的压力损失,壳程压降增大;利用场协同分析可知,异形片式倾斜折流栅换热器壳程流体温度场与速度场协同性更优,因此具有更好的强化传热特性。2.采用周期性模型,研究不同折流栅排布方式、折流栅倾斜角度、折流栅间距和折流片倾角对异形片式倾斜折流栅换热器传热性能的影响。结果表明:结构紧凑的平行排布换热器壳程传热系数、综合性能相较交错排布分别提高了12.7%~14%和3.6%~7.9%,交错排布换热器的压降最低;随着折流栅倾斜角度的增大,换热器壳程压降增大,传热系数和综合性能先增后减,倾斜角度为25°时传热性能达到最优;随着折流栅间距的增大,换热器壳程传热系数降低,压降减小,综合性能提高。壳程流体速度的连续性和边界层分离频率降低,壳程单位折流板数量减少,流动阻力变小。因此190mm折流栅间距的换热器,综合性能最好;随着折流片倾角的增大,壳程传热系数和压降越大,综合性能降低。折流片倾角越小,壳程流体速度分布越均化,流体湍动能越大。但倾角的改变对壳程的压降影响更明显。因此折流片倾角为60°时具有更好的综合性能;根据无量纲分析法,给出用于指导工程设计的异形片式倾斜折流栅换热器不同结构参数壳程传热系数和流体阻力准数关联式。在关联式的基础上采用遗传算法进行结构参数优化,与初始参数进行对比,优化后新结构参数换热器熵产数减小了5.3%,表明优化后换热器有用功多,性能更好。3.设计与数值模型同比例冷模实验装置,利用激光多普勒测速仪对异形折流片换热器壳程侧特定测量点进行速度测量,将实验数据与模拟结果进行对比,结果表明:实验结果与模拟值误差不超过23%,验证了数值模拟方法和结果的准确性。
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ051.5
【部分图文】：

流体互不混淆，只通过管壁进行热量交换。按照壳程流体的流动形态将管壳式换热器分为四种类型：横向流、纵向流、螺旋流以及斜向流换热器。图1.1 管壳式换热器结构简图（1）横向流换热器横向流换热器最显著的特征就是主流区流体流动方向与管束方向垂直。其中最具代表性的就是弓形折流板换热器，其结构图和壳程流线图见图 1.2。弓形折流板是一种常见的折流板结构，结构是在圆形板上切除部分圆缺区

纵向流换热器

10（c）扇形翅片 （d）锯齿翅片图1.7 翅片管管内插入物有纽带[52,53]、螺旋线圈[54]、绕花丝[55]、静态混合器[56]、交叉锯齿带[57]等不同结构。管内插物主要用于管侧高粘度流体强化传热。内插纽带是由金属片扭转而成，主要强化旋流传热。对于静态混合器这种新型纽带主要通过分散流体再混合过程，不断更新边界层液膜，增大速度梯度，从而增强传热。尽管内插物结构不同，但对流体的作用大致相似。管程流体随着内插物固定结构形状做旋转运动或产生弥散效应，形成二次流，增大近壁面流速，减薄边界层，增强主流区和边界层流体的混合程度，使传热得到进一步强化。但内插物在增强传热的同时流阻也增大，对于实际湍流工况效果不佳[58]。（a）纽带结构图 （b）静态混合器图1.8 管内插物1.4.2 壳程强化传热技术管壳式换热器的壳程强化传热主要通过改变换壳程支撑支撑结构来实现。支撑结构是换热器壳程的关键部件，一方面支撑换热管束，阻止换热管因流体诱导产生振动；另一方面使壳程流体产生期望的流型和流速
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本文编号：2884361