本文關鍵詞：搭接螺旋折流板換熱器傳熱與流動特性研究

  更多相關文章： 搭接螺旋折流板換熱器 三角漏流區(qū) 殼程 數(shù)值模擬 可視化實驗

【摘要】：換熱器是一種廣泛應用于工業(yè)生產過程的熱能傳遞設備。目前,螺旋折流板換熱器是換熱器中的高技術產品,具有強化傳熱、降低流阻、減少積垢,減緩振動和延長壽命等優(yōu)勢,特別適合高黏度流體,已成為石油、化工、核能等行業(yè)的重要換熱設備。由于歐美等國家的技術壟斷,我國亟待加強對螺旋折流板換熱器的技術研究和生產應用。本文以搭接螺旋折流板換熱器為研究對象,運用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究等方法分析了殼程傳熱與流動特性,主要研究工作及取得的成果如下：通過分析搭接螺旋折流板換熱器殼程幾何結構,推導了主要結構參數(shù)的通用計算方法。運用田口方法,分析了螺旋角、搭接量、布管方式、換熱管直徑和管間距對換熱器綜合性能的影響程度,得到了最優(yōu)過程參數(shù)組合。通過分析發(fā)現(xiàn),當殼體體積確定時,采用大流通空間,減小殼程流動阻力是提升搭接螺旋折流板換熱器綜合性能的關鍵,且殼程三角漏流區(qū)對綜合性能具有顯著影響。基于連續(xù)螺旋層流數(shù)學模型的理論研究,在柱坐標系下,對螺旋折流板換熱器的殼程流場特征和受力特點進行了分析,揭示了三角漏流區(qū)是導致流體返混和流動短路的關鍵因素。采用流路分析法,分析了搭接螺旋折流板換熱器殼程流動,在此基礎上提出了一種符合殼程流動特征的流速計算新方法,經(jīng)驗證,該方法能更好地反映搭接螺旋折流板換熱器殼程流動狀態(tài),對提升雷諾數(shù)Re的計算準確度和分析流型流態(tài)具有重要意義。搭建了氣液兩相流可視化實驗平臺,利用高速攝影技術,對搭接螺旋折流板換熱器殼程流動進行了全方位多角度拍攝。根據(jù)拍攝圖像,分析了局部氣泡運動特征,證實了三角漏流區(qū)對換熱器殼程螺旋流動和壓降的影響。通過跟蹤氣泡運動軌跡,觀察并分析了螺旋流流路、三角區(qū)漏流流路、最外側換熱管與殼體內壁間旁路流流路以及折流板與殼體內壁間隙漏流流路,驗證了理論分析相關結論。通過分析灰度直方圖、對比經(jīng)典流型圖以及觀察壓力波動曲線等方法,對搭接螺旋折流板換熱器內氣液兩相流型流態(tài)進行了總結歸納和原因分析,繪制了殼程流型圖,為研究換熱器殼程流動提供了實驗數(shù)據(jù)。通過數(shù)值模擬,進一步分析了不同螺旋角搭接螺旋折流板換熱器殼程傳熱與流動特性。結果顯示,隨著螺旋角的增大,三角漏流區(qū)的面積隨之增大,折流板背風面的流體返混量相應減少；殼程切向平均速度分量減小,軸向平均速度分量增大,螺旋流動特征減弱；表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和流動阻力下降,綜合性能提升�；诶碚摲治觥嶒炑芯亢蛿�(shù)值模擬,利用殼程三角漏流區(qū)高流速、低流阻的特點,提出了一種新型橢圓管搭接螺旋折流板換熱器。新型換熱器將扇形折流板切割成近似環(huán)形,使流經(jīng)三角漏流區(qū)的流體做縱向流動。用橢圓管代替縱流區(qū)的圓管,不僅增強換熱,還起到引導流體的作用,實現(xiàn)減小壓降和增強換熱的雙重效果。通過數(shù)值模擬,證明了新型換熱器的綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)搭接螺旋折流板換熱器。為進一步優(yōu)化殼程性能,分析了橢圓管長徑比和布管傾角對換熱器傳熱與流動的影響,得到了最優(yōu)結構參數(shù)組合,較傳統(tǒng)搭接螺旋折流板換熱器而言,其JF因子提升14%以上,總熵產數(shù)降低25%以上。
【關鍵詞】：搭接螺旋折流板換熱器 三角漏流區(qū) 殼程 數(shù)值模擬 可視化實驗
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK172
【目錄】：

• 摘要14-16
• ABSTRACT16-19
• 主要符號19-21
• 第1章 緒論21-31
• 1.1 引言21
• 1.2 管殼式換熱器概述21-22
• 1.3 搭接螺旋折流板換熱器研究現(xiàn)狀22-25
• 1.3.1 搭接螺旋折流板換熱器殼程性能的研究現(xiàn)狀23-24
• 1.3.2 搭接螺旋折流板換熱器結構優(yōu)化的研究現(xiàn)狀24-25
• 1.4 換熱器評價標準的研究現(xiàn)狀25-28
• 1.4.1 JF因子的研究現(xiàn)狀25-26
• 1.4.2 最小熵產法的研究現(xiàn)狀26-27
• 1.4.3 場協(xié)同原理的研究現(xiàn)狀27-28
• 1.5 螺旋折流板換熱器實驗研究現(xiàn)狀28-29
• 1.5.1 接觸式實驗方法的應用研究現(xiàn)狀28
• 1.5.2 非接觸式實驗方法的應用研究現(xiàn)狀28-29
• 1.6 本文主要研究工作29-31
• 第2章 搭接螺旋折流板換熱器理論分析31-53
• 2.1 引言31
• 2.2 搭接螺旋折流板換熱器結構分析31-35
• 2.2.1 板片形狀33-34
• 2.2.2 螺旋角34
• 2.2.3 搭接方式34-35
• 2.2.4 殼程幾何結構參數(shù)35
• 2.3 殼程結構參數(shù)影響分析35-42
• 2.3.1 特性的選取36
• 2.3.2 控制因素和水平36
• 2.3.3 正交設計36-37
• 2.3.4 信噪比(SNR)分析37-38
• 2.3.5 影響分析38-42
• 2.3.6 結果驗證42
• 2.4 殼程螺旋流動理論分析42-51
• 2.4.1 殼程理想螺旋流動理論分析43-46
• 2.4.2 殼程實際螺旋流動理論分析46-51
• 2.5 本章小結51-53
• 第3章 搭接螺旋折流板換熱器殼程流動可視化實驗研究53-89
• 3.1 引言53
• 3.2 實驗對象53-54
• 3.3 實驗系統(tǒng)及儀器54-60
• 3.3.1 實驗系統(tǒng)54-55
• 3.3.2 實驗儀器55-60
• 3.4 實驗流程60-62
• 3.4.1 準備工作60-61
• 3.4.2 實驗步驟61-62
• 3.5 圖像及數(shù)據(jù)處理方法62-65
• 3.6 氣泡運動的特性分析65-70
• 3.6.1 沿螺旋方向流動的氣泡運動分析65-67
• 3.6.2 沿軸向經(jīng)三角漏流區(qū)的氣泡運動分析67-70
• 3.6.3 換熱器頂部往復運動的氣泡分析70
• 3.7 殼程氣液兩相流型圖像分析70-88
• 3.7.1 氣液兩相折算速度計算71-72
• 3.7.2 典型折算流速下氣液兩相流態(tài)圖像72-78
• 3.7.3 搭接螺旋折流板換熱器流型圖78-79
• 3.7.4 殼程壓降分析79-88
• 3.8 本章小結88-89
• 第4章 搭接螺旋折流板換熱器殼程傳熱與流動特性分析89-123
• 4.1 引言89
• 4.2 數(shù)值模擬方案89-96
• 4.2.1 CFX軟件的基本情況89-90
• 4.2.2 物理模型與幾何參數(shù)90-91
• 4.2.3 湍流模型和模擬方法91-96
• 4.3 傳熱分析96-100
• 4.3.1 典型截面?zhèn)鳠岱治?/span>96-97
• 4.3.2 軸向傳熱特點97-99
• 4.3.3 徑向傳熱特點99-100
• 4.4 流動分析100-111
• 4.4.1 充分發(fā)展段流場分析100-106
• 4.4.2 殼程速度分布特點106-110
• 4.4.3 沿徑向繞流換熱管束的流速分布特點110-111
• 4.5 殼程傳熱與阻力性能分析111-117
• 4.5.1 螺旋角對殼程傳熱與阻力的影響111-112
• 4.5.2 殼程流動特征描述方法驗證112-114
• 4.5.3 殼程傳熱與阻力性能關聯(lián)式114-117
• 4.6 綜合性能分析117-122
• 4.6.1 以JF因子為評價指標的綜合性能分析118-119
• 4.6.2 以最小熵產法為評價指標的綜合性能分析119-122
• 4.7 本章小結122-123
• 第5章 新型橢圓管搭接螺旋折流板換熱器傳熱與流動特性研究123-147
• 5.1 引言123
• 5.2 結構設計理念123-124
• 5.3 物理模型124-125
• 5.4 殼程傳熱分析125-129
• 5.4.1 典型截面?zhèn)鳠岱治?/span>126-128
• 5.4.2 殼程傳熱特點128-129
• 5.5 殼程流動分析129-135
• 5.5.1 充分發(fā)展段流場分析129-131
• 5.5.2 典型截面速度矢量分析131-133
• 5.5.3 殼程流速分布特點133-135
• 5.6 殼程換熱與阻力性能分析135-136
• 5.7 綜合性能分析136-142
• 5.7.1 以JF因子為評價指標的綜合性能分析136-137
• 5.7.2 以最小熵產法為評價指標的綜合性能分析137-138
• 5.7.3 以場協(xié)同原理為評價指標的綜合性能分析138-142
• 5.8 殼程綜合性能優(yōu)化分析142-145
• 5.9 本章小結145-147
• 第6章 總結與展望147-151
• 6.1 主要研究成果147-148
• 6.2 主要創(chuàng)新點148
• 6.3 展望148-151
• 參考文獻151-159
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及研究成果159-161
• 致謝161-163
• 附件163

【參考文獻】

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本文編號：821120