管殼式換熱器中單相流體強化傳熱的數(shù)值模擬和實驗研究.pdf

1、管殼式換熱器廣泛應用于我國各個工業(yè)生產(chǎn)部門,強化其傳熱速率可以有效提高能源利用效率,進而緩解能源供需矛盾。本文從數(shù)值模擬和實驗測量兩方面入手,分別就提高管側(cè)和殼側(cè)熱流體綜合性能,開展管殼式換熱器單相強化傳熱研究,主要研究工作情況如下:
　　(1)采用數(shù)值方法從提高綜合性能指標01/30/(/)NuNuPEC=ff和減小熵產(chǎn)(數(shù))兩個方面研究一種新型管內(nèi)插物,即錐形擾流片,層流條件下的強化傳熱性能。研究表明錐形片內(nèi)插物可以有效強化管

2、內(nèi)層流換熱,同時流動阻力也有一定幅度增加。與錯排錐形片相比,順排錐形片對管內(nèi)流體的擾動較強烈,傳熱速率增加較多,綜合性能較好。順排錐形片強化管各雷諾數(shù)平均的Nu數(shù)比光管最多強化了4.51倍,平均f因子增加比為2.31~14.77,綜合性能指標PEC值在1.17到2.97之間。錐形片內(nèi)插物結(jié)構(gòu)參數(shù),特別是錐形片張角和間距,對強化管熱流體性能影響較大,傾角30°、張角60°、無量綱間隙0.10和片距1.5是本次研究得到的最佳內(nèi)插物參數(shù)組合。

3、
　　熵產(chǎn)計算表明在層流條件下,粘性熵產(chǎn)和傳熱熵產(chǎn)都隨著強化管Re數(shù)的增加而加大,后者數(shù)值遠大于前者,在整個不可逆損失中占有主導地位。錐形片張角較大、無量綱間隙和片距較小時,強化管的熵產(chǎn)較小,不可逆損失較少,從有用能損失最小的角度看綜合性能較優(yōu)。
　　(2)采用實驗測量和數(shù)值計算兩種方法系統(tǒng)研究了一種新型管束支撐元件,即三葉孔支撐板,湍流條件下的殼側(cè)強化傳熱性能。實驗研究表明三葉孔板可以有效強化殼側(cè)傳熱性能,并得到了三葉孔板

4、換熱器殼側(cè)流動、傳熱性能的試驗準則關(guān)系式。三葉孔板換熱器實驗樣機在大Re數(shù)下傳熱速率較高,然而它的綜合性能隨Re數(shù)的增加而變壞,殼側(cè)組合參數(shù)Nu/△p在16kPa-1~37kPa-1范圍之間。
　　數(shù)值研究表明三葉孔板形成的射流和強烈回流,可以沖刷管壁,提高流體湍流強度水平,這加速了主流流體混合,同時使邊界層厚度減小,最終有效強化了換熱管外表面的傳熱速率。就本文所研究的案例來看,改變?nèi)~孔板板距對殼側(cè)強化傳熱性能的影響不是很明顯,

5、但對流動阻力增加的影響較大。板距較大時,殼側(cè)壓力損失較小,因而綜合性能較優(yōu)。四葉孔板換熱器殼側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h僅比三葉孔板有少量增加,而壓力損失△p增加卻很多,單位壓力損失的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(h/△p)和單位泵功傳熱能力(hA/W)分別只有后者的68％和10%。
　　(3)采用數(shù)值模擬和實驗驗證相結(jié)合的方法研究花隔板換熱器殼側(cè)湍流強化傳熱性能。數(shù)值研究借助多孔介質(zhì)的概念,引入分布阻力和分布熱源,建立了基于空隙率和滲透率的管殼式換熱器流動

6、傳熱性能計算的數(shù)值模型。數(shù)值模型對花隔板換熱器進行了計算,殼側(cè)主要參數(shù)的模型預測值與實驗值的最大相對誤差在14%范圍內(nèi)。本文還利用計算得到的速度溫度云圖,分析了花隔板強化殼側(cè)傳熱的物理機制,并與折流板換熱器的預測流場溫度場進行了比較。折流板換熱器雖然表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大,但殼側(cè)流動阻力增加更多,殼側(cè)綜合性能指標h/△p只有花隔板換熱器的82%。
　　本文創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下兩個方面:
　　(1)從不同角度系統(tǒng)研究了一種新型管內(nèi)插

7、物(錐形擾流片)和兩種新型管束支撐元件(三葉孔支撐板和花隔板)強化傳熱性能。包括采用不同評價體系(熱力學第一定律與第二定律評價方法),應用不同研究方法(數(shù)值模擬與實驗研究),調(diào)查強化元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,分析強化傳熱物理機制(場協(xié)同角計算與流場-溫度場云圖分析)等。
　　(2)靈活應用各種CFD建模方法開展強化傳熱研究,以滿足不同對象不同計算工作量和計算精度要求。本文采用的數(shù)值建模方法大致包括單元流道方法、流固熱耦合方法、周期性模型