縱流管殼式換熱器流動與傳熱性能的理論與實驗研究.pdf

1、換熱器在諸如石油冶煉、電力、化工、過程工業(yè)以及食品等工業(yè)中是十分重要的設備。各種換熱器中管殼式換熱器具有許多優(yōu)點，如結構可靠，技術成熟，適用范圍廣等優(yōu)點，在工業(yè)中得到廣泛應用。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，同時對流體有擾流作用。根據(jù)殼側流體運動的方向，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，換熱器的性能將會有較大的差異，而殼程的換熱系數(shù)則對整個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，易導致流體誘導振動等缺點。為了提高弓形折流板換熱器的傳熱性能，往往需要耗費比較大的泵功。壓降和傳熱性能通常是相互關聯(lián)的，而這兩者通常對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，國內(nèi)外許多學者對各種支撐擾流部件進行了研究，其中縱流管殼式換熱器由于具有較小的流動阻力和較高的傳熱性能，現(xiàn)已成為了國內(nèi)外學者研究的焦點。本文在前人研究的基礎上，從理論和實

3、驗兩個方面研究縱流管殼式換熱器的流動和傳熱性能；同時在核心流強化傳熱理論的指導下，開發(fā)研制新型的縱流式管殼式換熱器，并對其性能進行研究。
　　 折流桿換熱器作為一種重要的縱流式換熱器，在工業(yè)中得到了廣泛的應用，但是關于其傳熱強化機理目前尚未有統(tǒng)一的認識。本文通過建立折流桿換熱器的數(shù)學物理模型，對折流桿換熱器的傳熱和流動進行數(shù)值模擬研究，通過對結果分析發(fā)現(xiàn)，折流桿換熱器的強化傳熱機理與核心流強化傳熱理論相一致；在此基礎上，研究了不

4、同形狀折流桿對換熱器綜合性能的影響，結果表明，折流桿截面不同，對換熱器的性能有較大的影響，其中方桿換熱性能較強，但是流動阻力較大，圓桿換熱較方桿差，但是流動阻力小，通過適當?shù)慕M合，可提高換熱器的綜合性能。
　　 結合核心流強化傳熱原理，提出了支撐和擾流分離的縱流管殼式換熱器強化傳熱思想，并設計了一種粗桿-細桿組合的折流桿換熱器，采用CFD技術對其傳熱和流動性能進行了研究。研究結果表明，采用粗桿-細桿組合結構，對換熱器起的傳熱性能

5、影響不大，但可以降低流動阻力，因而換熱器的綜合性能較高?；诤诵牧鲝娀瘋鳠嵩?，本文分析了折流桿換熱器管束內(nèi)的擾流機制，設計了一種新型的折流桿–擾流葉片組合式換熱器，建立了相應的物理和數(shù)學模型，并對其傳熱與流動特性進行了計算模擬。結果表明，該新型換熱器殼程的對流換熱系數(shù)與折流桿換熱器相當，但流動阻力遠小于折流桿換熱器，綜合性能優(yōu)于折流桿換熱器，而且Re數(shù)越高，優(yōu)勢越明顯。
　　 在分析折流桿換熱器傳熱和流動特征的基礎上，論文采用

6、周期性充分發(fā)展模型，對新型折流桿換熱器的性能進行了研究，并用基于熱力學第一定律的評價方法和熱力學第二定律方法對三種換熱器的性能進行了評價。結果表明，基于熱一律和熱二律的評價方法在某些場合會出現(xiàn)不一致的結論，但這主要與評價的角度有關。
　　 花格板換熱器作為一種新型的管殼式換熱器，其流動和傳熱機理研究目前尚未有較深入的研究，論文通過CFD技術，對花格板換熱器的流動和傳熱性能進行了研究，并將結果與傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器進行了比較。結

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上，本文對花格板換熱器進行了實驗研究。為了比較性能，將實驗結果和相同結構參數(shù)的弓形折流板換熱器進行了比較，結果表明，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％。本文還對新型折流桿換熱器的傳熱和阻力特性進行了實驗研