【摘要】：管殼式換熱器作為應(yīng)用最為廣泛的換熱設(shè)備之一,其是否高效節(jié)能對能源的利用與節(jié)約至關(guān)重要。本文以類梯形傾斜折流板換熱器為研究基礎(chǔ),采用理論與數(shù)值模擬方法分析了其殼程流體流動與傳熱特性,并與弓形折流板與簾式折流片換熱器進(jìn)行對比分析。提出了一種滴形管類梯形傾斜折流板換熱器,分別對殼程和管程流體流動與傳熱特性進(jìn)行分析,結(jié)合場協(xié)同原理揭示以類梯形傾斜折流板管束支撐結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的流體扭轉(zhuǎn)流強(qiáng)化傳熱機(jī)理。在所研究范圍內(nèi),主要取得以下成果:類梯形傾斜折流板換熱器由于導(dǎo)流板正交裝配方式使殼程流體呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)流動狀態(tài)。在相同殼程雷諾數(shù)下,較簾式折流片換熱器殼程流體斜向流與弓形折流板換熱器殼程流體橫向流更加劇烈的沖刷管束,減薄了熱邊界層厚度,改善了流體速度與溫度梯度協(xié)同性,提高了殼程流體對流換熱強(qiáng)度。類梯形傾斜折流板換熱器較弓形折流板換熱器對流換熱系數(shù)高12.43%-24.33%,較簾式折流片換熱器高6.71%-11.51%,簾式折流片換熱器殼程對流換熱系數(shù)較弓形折流板換熱器高2.53%-5.93%。殼程流體的扭轉(zhuǎn)流動在提高速度與溫度梯度協(xié)同性時,也降低速度與壓力梯度的協(xié)同性,即殼程流體流動阻力增大,殼程壓降上升。簾式折流片換熱器殼程綜合性能較弓形折流板換熱器低5.7%-16.47%,而類梯形傾斜折流板換熱器較弓形折流板換熱器高5.85%-9.06%,較簾式折流片換熱器高6.71%-11.51%。類梯形傾斜折流板換熱器換熱管束采用同截面周長滴形管替代傳統(tǒng)圓管,計算結(jié)果表明:滴形管相對殼程流體來流方向具有更好的流線型,使殼程流體更加接近理想的斜向沖刷管束,速度與溫度梯度的協(xié)同性得以提高,故滴形管類梯形傾斜折流板換熱器殼程對流換熱系數(shù)較圓管換熱器高27.16%-29.71%,流體在滴形管內(nèi)流動也一定程度上提高了流體速度與溫度梯度的協(xié)同性,故滴形管側(cè)對流換熱系數(shù)較圓管高25.63%-28.69%,但同時使殼程與管程流體速度與壓力梯度的協(xié)同性變差,壓降升高,就綜合性能仍高于圓管換熱器,殼側(cè)高31.47%-35.23%,管側(cè)高8.64%-13.28%。
【圖文】：

速下綜合性能較差，由于卡曼渦街和文丘里效應(yīng)可能會發(fā)生劇烈的震動，換熱管束失效的可能性較高。（2）換熱管束自支撐管束自支撐結(jié)構(gòu)[22]省去了換熱管束支撐結(jié)構(gòu)，換熱管在換熱器殼程排布更加緊湊，一定程度上增加了殼程流體的湍流程度，減小流體層流邊界層厚度，同時，由于管形狀的變化，強(qiáng)化了管內(nèi)介質(zhì)與管壁的傳熱能力，達(dá)到整體強(qiáng)化傳熱的目的。常見的管束自支撐結(jié)構(gòu)的有變截面管、螺旋扁管、釘頭管[24,25]、螺旋肋片[26,27]等。譚祥輝[28,29]對螺旋扁管自支撐換熱器殼程性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其殼程傳熱性能平均為折流桿換熱器的 1.27 倍，壓降卻為折流桿換熱器的 0.27 倍，且隨著殼程雷諾數(shù)的增大，殼程換熱系數(shù)增大較折流桿換熱器明顯；殼程流道膜傳熱系數(shù)和壓降均隨著管截面長短軸比的增大而增大。劉嬌陽[30]研究發(fā)現(xiàn)釘頭管換熱器較弓形折流板換熱器具有更好的綜合換熱性能，對殼程不同傳熱介質(zhì)強(qiáng)化換熱效果不同，其中對空氣表現(xiàn)出較好的傳熱強(qiáng)化效果。焦鳳[31]對影響矩形自支撐縮放管換熱器殼程與管程性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，管程和殼程的換熱性能會隨著縮放節(jié)距的減小和肋高的增大而增大，但同時壓降也會增大。

（雙弓形、三弓形）折流板是在單弓形折流板的基礎(chǔ)上，增加切口的面殼程呈縱向流動的趨勢，減小換熱器殼側(cè)流體流動阻力[32,33]。單弓形折高度一般取圓筒內(nèi)直徑的 0.2-0.45 倍[34]。Ambekar[35]研究了不同管束支，換熱器殼程換熱性能與流體流動性能，結(jié)果表明：較單弓形折流板來形折流板換熱器殼側(cè)壓降只是單弓形折流板換熱器的 70%-75%，但同數(shù)也有所降低。Gay[36]等人擬合了雙弓型折流板換熱器殼程傳熱 J 因子的關(guān)系曲線，與單弓形折流板換熱器對比發(fā)現(xiàn)兩條曲線基本呈現(xiàn)平行關(guān)棟[37]應(yīng)用數(shù)值模擬方法分析了弓形折流板切口高度、間距對殼程性能并對折流板間距和切口高度同時變化的情況進(jìn)行優(yōu)化，，得出結(jié)論：隨著的增加，殼程換熱系數(shù)和壓降同時下降，在切口比例大于 0.4 情況下，下降較少，但換熱系數(shù)會急劇下降；當(dāng)折流板間距較大時，應(yīng)當(dāng)采取較高度，反之亦然。為解決單弓形折流板換熱器流動傳熱死區(qū)和管束振動[38]等人采用對折流板開小孔的方式，分析結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)對開小圓孔折流板換熱器殼程綜合性能的影響，并擬合殼程壓降和對流換熱系數(shù)系式。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK172

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2694939