縱流管殼式換熱器流動(dòng)與傳熱性能的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、換熱器在諸如石油冶煉、電力、化工、過(guò)程工業(yè)以及食品等工業(yè)中是十分重要的設(shè)備。各種換熱器中管殼式換熱器具有許多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)可靠，技術(shù)成熟，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。管殼式換熱器中，支撐部件起著十分重要的作用，它不但可以支撐管束，同時(shí)對(duì)流體有擾流作用。根據(jù)殼側(cè)流體運(yùn)動(dòng)的方向，管殼式換熱器可以分為橫向流、縱向流以及螺旋流換熱器等。采取不同的折流部件，換熱器的性能將會(huì)有較大的差異，而殼程的換熱系數(shù)則對(duì)整個(gè)換熱器的換熱性能具有十分重

2、要的作用。
　　 傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器存在許多不足之處，如壓降大，易導(dǎo)致流體誘導(dǎo)振動(dòng)等缺點(diǎn)。為了提高弓形折流板換熱器的傳熱性能，往往需要耗費(fèi)比較大的泵功。壓降和傳熱性能通常是相互關(guān)聯(lián)的，而這兩者通常對(duì)換熱器的成本具有決定性作用。為了改善管殼式換熱器的綜合性能，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)各種支撐擾流部件進(jìn)行了研究，其中縱流管殼式換熱器由于具有較小的流動(dòng)阻力和較高的傳熱性能，現(xiàn)已成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的焦點(diǎn)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，從理論和實(shí)

3、驗(yàn)兩個(gè)方面研究縱流管殼式換熱器的流動(dòng)和傳熱性能；同時(shí)在核心流強(qiáng)化傳熱理論的指導(dǎo)下，開(kāi)發(fā)研制新型的縱流式管殼式換熱器，并對(duì)其性能進(jìn)行研究。
　　 折流桿換熱器作為一種重要的縱流式換熱器，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是關(guān)于其傳熱強(qiáng)化機(jī)理目前尚未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。本文通過(guò)建立折流桿換熱器的數(shù)學(xué)物理模型，對(duì)折流桿換熱器的傳熱和流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過(guò)對(duì)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，折流桿換熱器的強(qiáng)化傳熱機(jī)理與核心流強(qiáng)化傳熱理論相一致；在此基礎(chǔ)上，研究了不

4、同形狀折流桿對(duì)換熱器綜合性能的影響，結(jié)果表明，折流桿截面不同，對(duì)換熱器的性能有較大的影響，其中方桿換熱性能較強(qiáng)，但是流動(dòng)阻力較大，圓桿換熱較方桿差，但是流動(dòng)阻力小，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕M合，可提高換熱器的綜合性能。
　　 結(jié)合核心流強(qiáng)化傳熱原理，提出了支撐和擾流分離的縱流管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱思想，并設(shè)計(jì)了一種粗桿-細(xì)桿組合的折流桿換熱器，采用CFD技術(shù)對(duì)其傳熱和流動(dòng)性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，采用粗桿-細(xì)桿組合結(jié)構(gòu)，對(duì)換熱器起的傳熱性能

5、影響不大，但可以降低流動(dòng)阻力，因而換熱器的綜合性能較高?；诤诵牧鲝?qiáng)化傳熱原理，本文分析了折流桿換熱器管束內(nèi)的擾流機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種新型的折流桿–擾流葉片組合式換熱器，建立了相應(yīng)的物理和數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其傳熱與流動(dòng)特性進(jìn)行了計(jì)算模擬。結(jié)果表明，該新型換熱器殼程的對(duì)流換熱系數(shù)與折流桿換熱器相當(dāng)，但流動(dòng)阻力遠(yuǎn)小于折流桿換熱器，綜合性能優(yōu)于折流桿換熱器，而且Re數(shù)越高，優(yōu)勢(shì)越明顯。
　　 在分析折流桿換熱器傳熱和流動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，論文采用

6、周期性充分發(fā)展模型，對(duì)新型折流桿換熱器的性能進(jìn)行了研究，并用基于熱力學(xué)第一定律的評(píng)價(jià)方法和熱力學(xué)第二定律方法對(duì)三種換熱器的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，基于熱一律和熱二律的評(píng)價(jià)方法在某些場(chǎng)合會(huì)出現(xiàn)不一致的結(jié)論，但這主要與評(píng)價(jià)的角度有關(guān)。
　　 花格板換熱器作為一種新型的管殼式換熱器，其流動(dòng)和傳熱機(jī)理研究目前尚未有較深入的研究，論文通過(guò)CFD技術(shù)，對(duì)花格板換熱器的流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行了研究，并將結(jié)果與傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器進(jìn)行了比較。結(jié)

7、果表明，在相同的雷諾數(shù)下，花格板換熱器的壓降僅為折流板換熱器的0.45倍左右，而兩者的換熱系數(shù)相差不大，因而花格板換熱器的綜合性能參數(shù)約為折流板換熱器的2.2倍左右。
　　 在理論理論研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)花格板換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。為了比較性能，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的弓形折流板換熱器進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，在相同的條件下，花格板換熱器的綜合性能要比弓形折流板高20％-30％。本文還對(duì)新型折流桿換熱器的傳熱和阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研