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文檔簡介
1、換熱器是在化工、石油、輕工、冶金、能源與動力等許多工業(yè)部門中使用的一種通用工藝設(shè)備。在各種換熱器中,管殼式換熱器由于結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點而應(yīng)用最為廣泛。鑒于管殼式換熱器在工業(yè)領(lǐng)域中的重要作用,通過改進(jìn)傳統(tǒng)的殼程結(jié)構(gòu)以提高其效率成為節(jié)能減排的重要途徑,螺旋折流板換熱器正是基于此而研究開發(fā)的一種新型的高效節(jié)能換熱設(shè)備。
本文從理論分析、數(shù)值模擬與實驗研究等方面對連續(xù)與搭接螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性
2、能特點進(jìn)行研究,開展的研究工作及所取得的主要研究成果如下:
對連續(xù)與搭接螺旋折流板的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了分析,推導(dǎo)了螺旋角、搭接量、螺距之間的計算關(guān)系,得到了折流板結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算方法。基于一定的簡化與假設(shè),建立了螺旋層流流動的數(shù)學(xué)模型,對軸向、切向及徑向速度分量的特點作了分析,對流體與折流板之間的受力情況作了研究。在此基礎(chǔ)上,建立了螺旋折流板換熱器殼程實際流動模型,將殼程實際螺旋流動分為螺旋流動主流流路、漏流流路、旁流流路等相互
3、獨(dú)立的流路,分別對各流路的形成原因、特點及對換熱器性能的影響進(jìn)行了分析。
在合理簡化的基礎(chǔ)上,建立連續(xù)與搭接螺旋折流板換熱器計算區(qū)域的物理模型,設(shè)置合理的邊界條件,使用RNG k-ε湍流模型對換熱器殼程與管程的流動與傳熱情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。提出了一種新的計算螺旋流動雷諾數(shù)的方法,能夠較好地反映螺旋折流板換熱器殼程流體流動狀態(tài)。
螺旋角對連續(xù)與搭接螺旋折流板換熱器各物理量分布及傳熱與阻力性能等具有相似的影響規(guī)律
4、:殼程螺旋通道可分為入口階段、螺旋流動階段及出口階段,螺旋角不同時,各階段的變化規(guī)律不同;軸向速度隨著徑向距離的增大而降低,螺旋角越大,均勻性越好;同流量下殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與壓降均隨螺旋角的增大而降低,而單位壓降下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨螺旋角的增大而增加;熵產(chǎn)數(shù)隨螺旋角的增大而降低,而且螺旋角越大,換熱器最佳運(yùn)行雷諾數(shù)越低。
搭接量是搭接螺旋折流板特有的結(jié)構(gòu)參數(shù)。交錯搭接時,軸向速度在搭接點前后呈現(xiàn)先減小、后增大的拋物線形分布;
5、同流量下,隨搭接量的增大,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與壓降均增大,而單位壓降下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減小;熵產(chǎn)數(shù)與換熱器最佳運(yùn)行雷諾數(shù)均隨搭接量的增大而增加。
通過連續(xù)與搭接螺旋折流板換熱器數(shù)值模擬結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn),相鄰搭接螺旋折流板之間的三角區(qū)與搭接區(qū)漏流導(dǎo)致殼程流動偏離連續(xù)螺旋流動,增大了流體的軸向反混,加劇了軸向速度在徑向分布的不均勻性。存在與螺旋角有關(guān)的轉(zhuǎn)折雷諾數(shù),在轉(zhuǎn)折雷諾數(shù)前后,連續(xù)螺旋折流板換熱器與搭接螺旋折流板換熱器不可逆損失的相
6、對大小不同。
在對1/4扇形螺旋折流板換熱器進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上,提出了六分扇形螺旋折流板換熱器,其折流板的1個螺距由6塊六分扇形螺旋折流板組成。數(shù)值模擬結(jié)果表明,相鄰折流板軸向周邊重疊的結(jié)構(gòu)有效地減輕了三角區(qū)漏流,軸向速度沿徑向的分布更加均勻。與1/4扇形螺旋折流板換熱器相比,六分扇形螺旋折流板換熱器殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)更高,壓降更低,同時熵產(chǎn)數(shù)更低,不可逆損失更小。從場協(xié)同理論的角度分析,新型搭接螺旋折流板結(jié)構(gòu)使殼程速度場
7、與溫度梯度場以及速度場與壓力梯度場之間均有著更好的協(xié)同性,從而實現(xiàn)高效低阻的強(qiáng)化傳熱目標(biāo)。
擬合得到了連續(xù)螺旋折流板換熱器、1/4扇形螺旋折流板換熱器及六分扇形螺旋折流板換熱器殼程努塞爾數(shù)關(guān)聯(lián)式與殼程阻力因子關(guān)聯(lián)式,為螺旋折流板換熱器的設(shè)計與校核提供了參考依據(jù)。
通過搭建實驗平臺,對六分扇形螺旋折流板換熱器進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明,與弓形折流板換熱器相比,六分扇形螺旋折流板換熱器具有更好的殼程綜合性能,通過實
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