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(shè)備。各種換熱器中管殼式換熱器具有許多優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)可靠，技術(shù)成熟，適用范圍廣等優(yōu)點，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)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(cè)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(dǎo)致流體誘導(dǎo)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(guān)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(xué)者對各種支撐擾流部件進(jìn)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(xué)者研究的焦點。本文在前人研究的基礎(chǔ)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(dǎo)下，開發(fā)研制新型的縱流式管殼式換熱器，并對其性能進(jìn)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(yīng)用，但是關(guān)于其傳熱強化機理目前尚未有統(tǒng)一的認(rèn)識。本文通過建立折流桿換熱器的數(shù)學(xué)物理模型，對折流桿換熱器的傳熱和流動進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過對結(jié)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(chǔ)上，研究了不

4、同形狀折流桿對換熱器綜合性能的影響，結(jié)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(dāng)?shù)慕M合，可提高換熱器的綜合性能。
　　 結(jié)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(shè)計了一種粗桿-細(xì)桿組合的折流桿換熱器，采用CFD技術(shù)對其傳熱和流動性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，采用粗桿-細(xì)桿組合結(jié)構(gòu)，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恚疚姆治隽苏哿鳁U換熱器管束內(nèi)的擾流機制，設(shè)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(yīng)的物理和數(shù)學(xué)模型，并對其傳熱與流動特性進(jìn)行了計算模擬。結(jié)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(dāng)，但流動阻力遠(yuǎn)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(chǔ)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(jìn)行了研究，并用基于熱力學(xué)第一定律的評價方法和熱力學(xué)第二定律方法對三種換熱器的性能進(jìn)行了評價。結(jié)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(jié)論，但這主要與評價的角度有關(guān)。
　　 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(shù)，對花格板換熱器的流動和傳熱性能進(jìn)行了研究，并將結(jié)果與傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器進(jìn)行了比較。結(jié)

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(chǔ)上，本文對花格板換熱器進(jìn)行了實驗研究。為了比較性能，將實驗結(jié)果和相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的弓形折流板換熱器進(jìn)行了比較，結(jié)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(jìn)行了實驗研