新型板式換熱器內(nèi)高粘性流體傳熱與流動特性研究.pdf

1、板式換熱器是近年來發(fā)展很快的熱交換設(shè)備，但相對其他型式的熱交換設(shè)備，由于阻力較大一直影響其在高粘性介質(zhì)換熱領(lǐng)域中的應(yīng)用。在分析影響對流換熱關(guān)鍵因素的基礎(chǔ)上，研究了高粘性流體在一新型板式換熱器內(nèi)換熱時的傳熱與阻力特性，并應(yīng)用場協(xié)同的基本原則對其換熱特性進(jìn)行了分析。最后從熱力學(xué)（火用）（Exergy）損角度分析了不同換熱條件下流道形狀（長寬比）對板式換熱器內(nèi)流動與換熱過程中熱力學(xué)性能的影響。 通過分析Reynolds及Prandtl

2、關(guān)于對流換熱的經(jīng)典假設(shè)，認(rèn)識到表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取決于壁面法線方向上流體的質(zhì)量輸運(yùn)。使用Blasius解等成熟的理論成果分析大平板上的層流對流換熱，結(jié)果表明：無限大平板上的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)正比于當(dāng)?shù)責(zé)徇吔鐚觾?nèi)壁面法線方向上的平均速度。對文中得到的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流體在邊界層內(nèi)壁面法向上平均速度的正比關(guān)系，同邊界層能量積分方程中得到的對流換熱關(guān)系作了比較和鑒別。 通過對邊界層內(nèi)對流換熱過程熱阻的分析，計算了Prandtl模型的導(dǎo)熱層厚度。

3、隨著Pr數(shù)的增加，導(dǎo)熱熱阻逐漸減小，純對流熱阻逐漸增加。在邊界層發(fā)展過程中，其導(dǎo)熱熱阻和純對流熱阻之比保持不變，該比值隨著Pr數(shù)的增加逐漸減小并在Pr數(shù)>10后基本趨于穩(wěn)定。 對復(fù)合波紋板式換熱器進(jìn)行了水水換熱和水油換熱實(shí)驗(yàn)測試，得到了復(fù)合波紋板式換熱器在雷諾數(shù)范圍2000

4、換熱器的傳熱-阻力綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)人字型板式換熱器。 選取與實(shí)驗(yàn)板片完全相同的波紋幾何參數(shù)及對流換熱條件，建立數(shù)值計算物理模型，得到的數(shù)值計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好，說明在復(fù)合波紋板片形成的復(fù)雜通道內(nèi)利用數(shù)值方法研究其換熱和流動規(guī)律是可靠的。通過分別建立不同波紋幾何參數(shù)模型的數(shù)值研究方法，分析得到了每個波紋幾何參數(shù)對復(fù)合波紋板式換熱器換熱和流動特性的影響規(guī)律，討論了介質(zhì)粘性以及粘性受溫度影響時換熱和流動特性隨波紋幾何參數(shù)改變時

5、的規(guī)律。 歸納得到了研究Re數(shù)范圍內(nèi)包含波紋幾何參數(shù)影響的復(fù)合波紋板片換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式和阻力關(guān)聯(lián)式，可作為該板型換熱器設(shè)計計算和參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)。 應(yīng)用場協(xié)同原理，分析了壁面法向矢量與流動速度矢量間的協(xié)同程度對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響。通過在平板、人字型波紋板以及復(fù)合波紋板上壁面法向速度影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的趨勢分析，闡述了fluent數(shù)值模擬軟件取到的數(shù)據(jù)與h-v正比關(guān)系的差異及出現(xiàn)差異的原因。 對比研究了同為波紋傾角60°

6、的復(fù)合波紋板片和人字型波紋板片，結(jié)果表明復(fù)合波紋板片具有更顯著的強(qiáng)化換熱作用，從傳熱壁面法向同速度的夾角余弦場與速度場間良好匹配可以強(qiáng)化換熱的角度闡釋了上述結(jié)果。 最后從熱力學(xué)（火用）損角度，數(shù)值分析了不同流量下板片寬長比對傳熱和流動產(chǎn)生比（火用）損的影響。通過板片寬長比對恒熱流、恒壁溫及等質(zhì)量逆流時比（火用）損影響的分析，發(fā)現(xiàn)上述三類條件下取得最小比總（火用）損時，比熱（火用）損大于比流（火用）損，且占據(jù)總（火用）損中的多數(shù)份

7、額。且隨流量的增加，三類條件下取得最小比（火用）損時板片的寬長比增大；隨流量的增加，恒熱流換熱時最小比（火用）損出現(xiàn)先增加而后減小的趨勢，主要由于換熱溫度及換熱溫差共同作用導(dǎo)致。隨流量的增加，恒壁溫及等質(zhì)量逆流時的最小比（火用）損增大，主要由于傳熱溫差增大導(dǎo)致。相同流量時，恒熱流，恒壁溫及等質(zhì)量逆流條件下，波高的增加均導(dǎo)致最佳寬長比γg減小。相同流量時，恒壁溫及兩側(cè)介質(zhì)等質(zhì)量逆流條件下，波高的增加導(dǎo)致最佳寬長比時的比總（火用）損呈現(xiàn)增加