發(fā)布時間：2017-09-03 12:40

  本文關鍵詞：螺旋異型管強化傳熱數(shù)值研究及PIV實驗分析

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【摘要】：在世界能源危機、中國能源現(xiàn)狀和國內產業(yè)結構調整的大背景下,發(fā)展節(jié)能技術,不僅有利于提供現(xiàn)階段經濟發(fā)展動力,改善人民生活質量,更符合國家“十三五”戰(zhàn)略規(guī)劃與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。管殼式換熱器作為一種通用設備廣泛應用工業(yè)生產、特別是高能耗產業(yè)當中。如果能大幅提高管殼式換熱器殼程與管程的對流換熱性能,同時不顯著地增加功耗,甚至減小功耗,將十分有利于節(jié)能降耗工作的展開。因此本文在基于最小耗散原理的強化傳熱過程優(yōu)化理論和對流換熱過程中的多場協(xié)同原理的支撐下,設計了新型的強化傳熱元件,使其在大幅提高換熱性能的同時,流動阻力增加不顯著：同時設計了新型管殼式換熱器,將這些新型傳熱元件應用其中,并獲得了良好的綜合換熱特性。 介紹了基于最小耗散原理的強化傳熱過程優(yōu)化理論和對流換熱過程中的多場協(xié)同原理,這是新型強化傳熱元件設計和研究的理論基礎。對于對流換熱過程而言,將換熱過程不可逆耗散與流體流動過程中的功耗作為互為目標函數(shù)與約束條件對換熱過程進行優(yōu)化,可以得到具有單渦或者多渦結構縱向旋流的管內優(yōu)化速度場,結果表明,管內形成單渦或多渦縱向旋流結構能有效提高流體綜合對流傳熱特性。對流換熱過程中流體工質質點的多物理量矢量場之間的協(xié)同關系,很好地揭示了流體換熱與流動阻力之間的關系,解釋了管內強化傳熱與泵功損失的物理本質。 設計了兩種新型強化傳熱元件—深槽螺旋波紋管和橢圓偏心螺旋管,同時設計了應用這些新型換熱管型的管殼式換熱器—采用螺旋波紋管的折流桿換熱器、采用螺旋波紋管的自支撐式管殼式換熱器以及采用橢圓偏心螺旋管的自支撐式管殼式換熱器,并對這些新型換熱管型和換熱器進行數(shù)值模擬研究。通過對深槽螺旋波紋管的數(shù)值模擬研究可以發(fā)現(xiàn),深槽螺旋波紋管可以使其管內流體形成整體縱向旋流,使管內流體在大幅提高換熱性能的同時,流動阻力增加不顯著。研究發(fā)現(xiàn),深槽螺旋波紋管中流體傳熱與流動的性能評價系數(shù)PEC值最高可達2.98,說明管內縱向旋流的形成能有效提高其綜合傳熱性能。對采用深槽螺旋波紋管的折流桿換熱器研究發(fā)現(xiàn),深槽螺旋管外壁面與折流桿共同作用能改變換熱器殼程流體的流動形式,從而改變其傳熱與流動性能。通過計算發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)的采用光管的折流桿換熱器相比,采用深槽螺旋波紋管的折流桿換熱器殼程流體傳熱與流動的效能評價系數(shù)EEC最高可達1.35,說明其具有良好的綜合強化傳熱性能。采用深槽螺旋波紋管的自支撐式管殼式換熱器殼程管束的固定與支撐并未采用額外的約束元件,使得殼程流體流動的局部阻力大大減小。與折流桿換熱器相比,在相同殼程Reynolds數(shù)下,采用深槽螺旋波紋管的自支撐換熱器殼程流體功耗減小倍數(shù)要遠大于其換熱量減小倍數(shù),其EEC值最高可達2.41。橢圓偏心螺旋管通過其特殊幾何外形的壁面結構,也能使流體形成整體縱向旋流,使其在提高換熱性能的同時,流動阻力增加不明顯。通過對不同橢圓截面短長徑之比的橢圓偏心螺旋管計算發(fā)現(xiàn),短長徑之比為0.6時橢圓偏心螺旋管管內流體PEC值可達2.52。采用橢圓偏心螺旋管的自支撐式管殼式換熱器能大大減小殼程流體流動阻力,同時其仍然具有良好的換熱性能。計算結果表明,在殼程流體Reynolds為18000時,折流桿換熱器殼程壓降為3164.4Pa,而采用橢圓偏心螺旋管的自支撐換熱器殼程流體壓降僅僅只有237.6Pa,因此采用橢圓偏心螺旋管的自支撐換熱器殼程流體效能評價系數(shù)EEC值可以高達11.7,具有優(yōu)良的綜合換熱性能。 搭建了基于Stereo-PIV技術的管內流場可視化實驗臺架,通過實驗方法觀測到了具有不同槽深的螺旋波紋管內流體流動特征,發(fā)現(xiàn)深槽螺旋波紋管內流體能夠形成具有單渦結構的縱向旋流,而淺槽螺旋波紋管內流體則不能形成縱向旋流。
【關鍵詞】：強化傳熱 縱向旋流 多場協(xié)同 管殼式換熱器 Stereo-PIV
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK172
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 主要符號說明9-11
• 目錄11-13
• 1 緒論13-39
• 1.1 課題研究背景及意義13-15
• 1.2 對流強化傳熱技術研究現(xiàn)狀15-37
• 1.3 對流強化傳熱研究面臨的問題37-38
• 1.4 本文研究的主要內容38-39
• 2 對流強化傳熱理論研究基礎39-52
• 2.1 引言39
• 2.2 對流強化傳熱過程的優(yōu)化理論39-44
• 2.3 單相對流換熱過程的多場協(xié)同原理44-51
• 2.4 本章小結51-52
• 3 深槽螺旋波紋管及相關管殼式換熱器數(shù)值模擬研究52-91
• 3.1 引言52
• 3.2 深槽螺旋波紋管52-66
• 3.3 采用深槽螺旋波紋管作換熱管的折流桿換熱器66-81
• 3.4 采用深槽螺旋波紋管的管束自支撐式管殼式換熱器81-89
• 3.5 本章小結89-91
• 4 橢圓偏心螺旋管及相關管殼式換熱器數(shù)值模擬91-118
• 4.1 引言91
• 4.2 橢圓偏心螺旋管91-108
• 4.3 采用橢圓偏心螺旋管的自支撐換熱器108-116
• 4.4 本章小結116-118
• 5 基于Stereo-PIV技術的螺旋波紋管流動橫截面流場測量實驗118-142
• 5.1 引言118
• 5.2 Stereo-PIV系統(tǒng)組成及測量原理118-128
• 5.3 采用Stereo-PIV技術測量螺旋波紋管流動橫截面流場實驗128-141
• 5.4 本章小結141-142
• 6 結論與展望142-145
• 6.1 全文工作總結142-143
• 6.2 今后工作展望143-145
• 致謝145-147
• 參考文獻147-171
• 附錄1 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文171-172
• 附錄2 攻讀博士學位期間參加的學術會議172-173
• 附錄3 攻讀博士學位期間參與的科研項目173

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