螺旋折流板管殼式換熱器殼程流動與傳熱機(jī)理分析與性能研究.pdf

1、管殼式換熱器作為一種通用的熱工過程設(shè)備在煉油、化工、環(huán)保、發(fā)電、制冷、食品加工、新能源利用等許多工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。鑒于管殼式換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，改進(jìn)其性能和提高其效率成為節(jié)能減排的重要途徑，將產(chǎn)生顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
　　 本文采用理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式對新型螺旋折流板管殼式換熱器的殼程流動傳熱機(jī)理與性能展開研究，在以下幾個(gè)方面開展了創(chuàng)新性工作：首先，基于一定假設(shè)對螺旋折流板換熱器殼程流動進(jìn)行

2、簡化，建立起柱坐標(biāo)下充分發(fā)展理想螺旋流動的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到了各速度分量之間的關(guān)系式，并通過受力分析從基本機(jī)理上研究了螺旋流動的內(nèi)在規(guī)律。以理想螺旋流動研究結(jié)果為基礎(chǔ)，在考慮更多實(shí)際影響因素的條件下，對換熱器殼程實(shí)際螺旋流動與傳熱特性進(jìn)行了分析，對比了其與流體斜掠圓管束和橫掠橢圓管束對流換熱的異同?；谶B續(xù)螺旋折流板與四分之一橢圓非連續(xù)螺旋折流板換熱器殼程流體區(qū)域整體模型，在考慮高黏度流體物性變化影響下，使用RNGκ-ε湍流模型

3、和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)對進(jìn)出口段和對流換熱充分發(fā)展段的流動與傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬。提出了一種能夠描述不同結(jié)構(gòu)換熱器殼程流體流態(tài)的雷諾數(shù)統(tǒng)一計(jì)算新方法，同時(shí)還提出了適用于殼程壓降通用計(jì)算的殼程阻力因子計(jì)算方法，并采用包含了湍流耗散和粘性耗散的機(jī)械能耗散率表征殼程局部流動阻力分布。經(jīng)過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，得到了連續(xù)和非連續(xù)螺旋折流板換熱器殼程結(jié)構(gòu)參數(shù)對各物理量分布與傳熱和阻力性能的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：相同殼體內(nèi)徑下螺旋角越大則進(jìn)出口段越長，螺旋角

4、較小時(shí)進(jìn)出口段的對流換熱系數(shù)和機(jī)械能耗散率小于對流換熱充分發(fā)展段的，螺旋角較大時(shí)相反；軸向速度分量、機(jī)械能耗散率和換熱管表面換熱量在殼體徑向上分布不均勻，殼體中心區(qū)域的最大，越靠近殼體內(nèi)壁越小，且螺旋角越小越不均勻：同雷諾數(shù)下，殼程換熱性能隨螺旋角的增大僅略有降低，大于一定螺旋角后殼程阻力因子隨螺旋角增大顯著降低；通過連續(xù)與非連續(xù)螺旋折流板換熱器殼程流動與傳熱規(guī)律的對比發(fā)現(xiàn)，相鄰兩塊非連續(xù)折流板間三角區(qū)的漏流導(dǎo)致其殼程流動形式嚴(yán)重偏離連

5、續(xù)螺旋流動，使殼體徑向上軸向流動與換熱的不均勻性加劇，并帶來極大的局部流動阻力；交錯(cuò)搭接后殼程流動形式進(jìn)一步偏離連續(xù)螺旋流動，雙螺旋結(jié)構(gòu)能提高殼程性能并使不同換熱管的換熱更均勻；以上研究結(jié)果為螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇與設(shè)計(jì)校核計(jì)算打下了基礎(chǔ)。
　　 本文在深入研究了殼程各參數(shù)對換熱器總體傳熱與阻力性能的影響后，本文提出了一種新型雙殼程連續(xù)螺旋折流板換熱器。兩組連續(xù)螺旋折流板同時(shí)作為殼程分程隔板，形成兩個(gè)獨(dú)立的螺旋通道。在相