搭接螺旋折流板換熱器傳熱與流動(dòng)特性研究.pdf

1、換熱器是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的熱能傳遞設(shè)備。目前，螺旋折流板換熱器是換熱器中的高技術(shù)產(chǎn)品，具有強(qiáng)化傳熱、降低流阻、減少積垢，減緩振動(dòng)和延長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)，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(shè)備。由于歐美等國(guó)家的技術(shù)壟斷，我國(guó)亟待加強(qiáng)對(duì)螺旋折流板換熱器的技術(shù)研究和生產(chǎn)應(yīng)用。
　　本文以搭接螺旋折流板換熱器為研究對(duì)象，運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等方法分析了殼程傳熱與流動(dòng)特性，主要研究工作及取得的成果如下

2、:
　　通過(guò)分析搭接螺旋折流板換熱器殼程幾何結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的通用計(jì)算方法。運(yùn)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(duì)換熱器綜合性能的影響程度，得到了最優(yōu)過(guò)程參數(shù)組合。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)殼體體積確定時(shí)，采用大流通空間，減小殼程流動(dòng)阻力是提升搭接螺旋折流板換熱器綜合性能的關(guān)鍵，且殼程三角漏流區(qū)對(duì)綜合性能具有顯著影響。
　　基于連續(xù)螺旋層流數(shù)學(xué)模型的理論研究，在柱坐標(biāo)系下，對(duì)螺旋折流板換熱器的殼程流

3、場(chǎng)特征和受力特點(diǎn)進(jìn)行了分析，揭示了三角漏流區(qū)是導(dǎo)致流體返混和流動(dòng)短路的關(guān)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(dòng)，在此基礎(chǔ)上提出了一種符合殼程流動(dòng)特征的流速計(jì)算新方法，經(jīng)驗(yàn)證，該方法能更好地反映搭接螺旋折流板換熱器殼程流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)提升雷諾數(shù)Re的計(jì)算準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用高速攝影技術(shù)，對(duì)搭接螺旋折流板換熱器殼程流動(dòng)進(jìn)行了全方位多角度拍攝。根據(jù)拍攝圖

4、像，分析了局部氣泡運(yùn)動(dòng)特征，證實(shí)了三角漏流區(qū)對(duì)換熱器殼程螺旋流動(dòng)和壓降的影響。通過(guò)跟蹤氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡，觀察并分析了螺旋流流路、三角區(qū)漏流流路、最外側(cè)換熱管與殼體內(nèi)壁間旁路流流路以及折流板與殼體內(nèi)壁間隙漏流流路，驗(yàn)證了理論分析相關(guān)結(jié)論。通過(guò)分析灰度直方圖、對(duì)比經(jīng)典流型圖以及觀察壓力波動(dòng)曲線等方法，對(duì)搭接螺旋折流板換熱器內(nèi)氣液兩相流型流態(tài)進(jìn)行了總結(jié)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(dòng)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　通過(guò)數(shù)值模擬，

5、進(jìn)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(dòng)特性。結(jié)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(fēng)面的流體返混量相應(yīng)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(dòng)特征減弱;表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和流動(dòng)阻力下降，綜合性能提升。
　　基于理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，利用殼程三角漏流區(qū)高流速、低流阻的特點(diǎn)，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)