搭接螺旋折流板換熱器傳熱與流動特性研究.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，具有強化傳熱、降低流阻、減少積垢，減緩振動和延長壽命等優(yōu)勢，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。由于歐美等國家的技術(shù)壟斷，我國亟待加強對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象，運用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究等方法分析了殼程傳熱與流動特性，主要研究工作及取得的成果如下

2、:
　　通過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)的通用計算方法。運用田口方法，分析了螺旋角、搭接量、布管方式、換熱管直徑和管間距對換熱器綜合性能的影響程度，得到了最優(yōu)過程參數(shù)組合。通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)殼體體積確定時，采用大流通空間，減小殼程流動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，對螺旋折流板換熱器的殼程流

3、場特征和受力特點進行了分析，揭示了三角漏流區(qū)是導(dǎo)致流體返混和流動短路的關(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，在此基礎(chǔ)上提出了一種符合殼程流動特征的流速計算新方法，經(jīng)驗證，該方法能更好地反映搭接螺旋折流板換熱器殼程流動狀態(tài)，對提升雷諾數(shù)Re的計算準(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驗平臺，利用高速攝影技術(shù)，對搭接螺旋折流板換熱器殼程流動進行了全方位多角度拍攝。根據(jù)拍攝圖

4、像，分析了局部氣泡運動特征，證實了三角漏流區(qū)對換熱器殼程螺旋流動和壓降的影響。通過跟蹤氣泡運動軌跡，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，驗證了理論分析相關(guān)結(jié)論。通過分析灰度直方圖、對比經(jīng)典流型圖以及觀察壓力波動曲線等方法，對搭接螺旋折流板換熱器內(nèi)氣液兩相流型流態(tài)進行了總結(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提供了實驗數(shù)據(jù)。
　　通過數(shù)值模擬，

5、進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，螺旋流動特征減弱;表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和流動阻力下降，綜合性能提升。
　　基于理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬，利用殼程三角漏流區(qū)高流速、低流阻的特點，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)