三分螺旋折流板電加熱器流動和傳熱性能研究.pdf

1、三分螺旋折流板電加熱器是針對工業(yè)工程中常用的多圈環(huán)形分層布管方式弓形折流板電加熱器優(yōu)化改進(jìn)而來的新型方案，采用“斜日字”單元環(huán)形布管方案解決了多圈環(huán)形布管方案因管間距不統(tǒng)一導(dǎo)致在保持最小管間距時殼體尺寸較大，且對流動和傳熱不利的問題;以周向重疊三分螺旋折流板取代弓形折流板強(qiáng)化電加熱器流動和傳熱性能，在繼承螺旋折流板高效低阻特性的同時，避免了弓形折流板方案存在有流動死區(qū)、傳熱系數(shù)偏低、流動阻力較大，易誘導(dǎo)振動、易結(jié)垢等缺點(diǎn)，極大地改善了加

2、熱管表面溫度均勻性問題。在此基礎(chǔ)上，為改善三分螺旋折流板加工、安裝及固定不便的問題，設(shè)計了折耳三分螺旋折流板，將原有扇形三分螺旋折流板兩端靠近拉桿孔位折彎形成，折耳折流板方案進(jìn)一步改善了三角區(qū)漏流，同時取消了原三分方案中環(huán)形端板，并消除了其阻礙流體的負(fù)面影響，優(yōu)化了流場及溫度場，延長了電加熱器使用壽命，且結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，定位和安裝簡單，因每套拉桿套管組可緊固兩組相鄰折流板，拉桿套管組的數(shù)目亦是最少，對電加熱器的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計具有良好的

3、效果。
　　本文首先針對電加熱器流動與傳熱特性，建立了“斜日字”單元環(huán)形布管的弓形折流板、三分螺旋折流板、折耳三分螺旋折流板3種折流板電加熱器的物理及數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值模擬軟件FLUENT和可視化分析軟件TECPLOT等手段，深入研究了上述三種電加熱器內(nèi)的流動與傳熱及表面溫度均勻性特性。
　　其次，在數(shù)值對比研究三種電加熱器方案各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，為深入研究各方案流動換熱特性，采用可視化分析軟件結(jié)合數(shù)據(jù)分析對比考察了各

4、方案的速度場、壓力場、溫度場，加熱管表面換熱系數(shù)及壁面溫度分布，重點(diǎn)分析了換熱系數(shù)、綜合指標(biāo)、加熱管表面平均溫度及最高溫度等指標(biāo)，揭示了“斜日字”布管、周向重疊搭接方式下，折流板結(jié)構(gòu)形式對三分螺旋折流板電加熱器加熱性能的影響。綜合研究了折流板傾斜角對折耳三分螺旋折流板電加熱器流動與傳熱性能影響，設(shè)計了折流板傾斜角為20°、25°、30°及30°雙螺旋等方案，尋找出在此設(shè)計條件下流動與傳熱綜合指標(biāo)及電加熱管表面溫度均勻性指標(biāo)最高下最佳傾斜

5、角為25°。
　　第三，在此基礎(chǔ)上數(shù)值模擬研究了三分螺旋折流板電加熱器在不同結(jié)構(gòu)形式下加熱性能。為進(jìn)一步揭示所改進(jìn)的折耳方案流動特性，對比研究了等傾斜角與等螺距的無折耳與折耳三分螺旋折流板方案的流場與壓力場;為探究三分螺旋折流板方案換熱潛力，設(shè)計了2種管長縮短方案并進(jìn)行了表面溫度均勻性分析;為改善大傾斜角下?lián)Q熱性能下降的問題，進(jìn)行了雙螺旋與單螺旋方案流動換熱性能的對比研究;研究了電加熱器管束方位與入口接管的相對位置對加熱性能的影響

6、;從強(qiáng)化傳熱的目的出發(fā)，探索了允許壓降下?lián)Q熱系數(shù)最優(yōu)方案。數(shù)值結(jié)果表明，折耳三分螺旋折流板方案高效低阻特性明顯，既繼承了三分螺旋折流板優(yōu)異的流動換熱性能，又簡化了電加熱器結(jié)構(gòu)，并極大改善了電加熱管表面溫度均勻性，相比于相同工況下弓形方案可將換熱系數(shù)及綜合指標(biāo)分別提升7％-20％，24％-32％，同時加熱管表面平均溫度及最高溫度分別下降15K-50K，130K-151K。折耳三分螺旋折流板方案可在保持三分方案優(yōu)異的換熱性能基礎(chǔ)上，優(yōu)化流場

7、及溫度場，并改善三分螺旋折流板不易加工及安裝定位等問題。對管長縮短方案的研究結(jié)果表明，三分螺旋折流板方案可減小加熱面積30％以上;而允許壓降下最佳方案的研究表明相同壓降下，三分螺旋折流板對電加熱器換熱性能提升明顯，同時能大幅降低加熱管表面最高溫度，減少局部高溫區(qū)，增加運(yùn)行安全性。
　　第四，針對流體介質(zhì)為液體的導(dǎo)熱油電加熱器在變工況下的加熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明傾斜角為15°周向重疊折耳三分螺旋折流板導(dǎo)熱油電加熱器與板間