發(fā)布時(shí)間：2017-09-09 15:03

  本文關(guān)鍵詞：搭接螺旋折流板換熱器傳熱與流動(dòng)特性研究

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【摘要】：換熱器是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的熱能傳遞設(shè)備。目前,螺旋折流板換熱器是換熱器中的高技術(shù)產(chǎn)品,具有強(qiáng)化傳熱、降低流阻、減少積垢,減緩振動(dòng)和延長壽命等優(yōu)勢(shì),特別適合高黏度流體,已成為石油、化工、核能等行業(yè)的重要換熱設(shè)備。由于歐美等國家的技術(shù)壟斷,我國亟待加強(qiáng)對(duì)螺旋折流板換熱器的技術(shù)研究和生產(chǎn)應(yīng)用。本文以搭接螺旋折流板換熱器為研究對(duì)象,運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等方法分析了殼程傳熱與流動(dòng)特性,主要研究工作及取得的成果如下：通過分析搭接螺旋折流板換熱器殼程幾何結(jié)構(gòu),推導(dǎo)了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的通用計(jì)算方法。運(yùn)用田口方法,分析了螺旋角、搭接量、布管方式、換熱管直徑和管間距對(duì)換熱器綜合性能的影響程度,得到了最優(yōu)過程參數(shù)組合。通過分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)殼體體積確定時(shí),采用大流通空間,減小殼程流動(dòng)阻力是提升搭接螺旋折流板換熱器綜合性能的關(guān)鍵,且殼程三角漏流區(qū)對(duì)綜合性能具有顯著影響�；谶B續(xù)螺旋層流數(shù)學(xué)模型的理論研究,在柱坐標(biāo)系下,對(duì)螺旋折流板換熱器的殼程流場(chǎng)特征和受力特點(diǎn)進(jìn)行了分析,揭示了三角漏流區(qū)是導(dǎo)致流體返混和流動(dòng)短路的關(guān)鍵因素。采用流路分析法,分析了搭接螺旋折流板換熱器殼程流動(dòng),在此基礎(chǔ)上提出了一種符合殼程流動(dòng)特征的流速計(jì)算新方法,經(jīng)驗(yàn)證,該方法能更好地反映搭接螺旋折流板換熱器殼程流動(dòng)狀態(tài),對(duì)提升雷諾數(shù)Re的計(jì)算準(zhǔn)確度和分析流型流態(tài)具有重要意義。搭建了氣液兩相流可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用高速攝影技術(shù),對(duì)搭接螺旋折流板換熱器殼程流動(dòng)進(jìn)行了全方位多角度拍攝。根據(jù)拍攝圖像,分析了局部氣泡運(yùn)動(dòng)特征,證實(shí)了三角漏流區(qū)對(duì)換熱器殼程螺旋流動(dòng)和壓降的影響。通過跟蹤氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡,觀察并分析了螺旋流流路、三角區(qū)漏流流路、最外側(cè)換熱管與殼體內(nèi)壁間旁路流流路以及折流板與殼體內(nèi)壁間隙漏流流路,驗(yàn)證了理論分析相關(guān)結(jié)論。通過分析灰度直方圖、對(duì)比經(jīng)典流型圖以及觀察壓力波動(dòng)曲線等方法,對(duì)搭接螺旋折流板換熱器內(nèi)氣液兩相流型流態(tài)進(jìn)行了總結(jié)歸納和原因分析,繪制了殼程流型圖,為研究換熱器殼程流動(dòng)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過數(shù)值模擬,進(jìn)一步分析了不同螺旋角搭接螺旋折流板換熱器殼程傳熱與流動(dòng)特性。結(jié)果顯示,隨著螺旋角的增大,三角漏流區(qū)的面積隨之增大,折流板背風(fēng)面的流體返混量相應(yīng)減少；殼程切向平均速度分量減小,軸向平均速度分量增大,螺旋流動(dòng)特征減弱；表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和流動(dòng)阻力下降,綜合性能提升。基于理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,利用殼程三角漏流區(qū)高流速、低流阻的特點(diǎn),提出了一種新型橢圓管搭接螺旋折流板換熱器。新型換熱器將扇形折流板切割成近似環(huán)形,使流經(jīng)三角漏流區(qū)的流體做縱向流動(dòng)。用橢圓管代替縱流區(qū)的圓管,不僅增強(qiáng)換熱,還起到引導(dǎo)流體的作用,實(shí)現(xiàn)減小壓降和增強(qiáng)換熱的雙重效果。通過數(shù)值模擬,證明了新型換熱器的綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)搭接螺旋折流板換熱器。為進(jìn)一步優(yōu)化殼程性能,分析了橢圓管長徑比和布管傾角對(duì)換熱器傳熱與流動(dòng)的影響,得到了最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合,較傳統(tǒng)搭接螺旋折流板換熱器而言,其JF因子提升14%以上,總熵產(chǎn)數(shù)降低25%以上。
【關(guān)鍵詞】：搭接螺旋折流板換熱器 三角漏流區(qū) 殼程 數(shù)值模擬 可視化實(shí)驗(yàn)
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK172
【目錄】：

• 摘要14-16
• ABSTRACT16-19
• 主要符號(hào)19-21
• 第1章 緒論21-31
• 1.1 引言21
• 1.2 管殼式換熱器概述21-22
• 1.3 搭接螺旋折流板換熱器研究現(xiàn)狀22-25
• 1.3.1 搭接螺旋折流板換熱器殼程性能的研究現(xiàn)狀23-24
• 1.3.2 搭接螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究現(xiàn)狀24-25
• 1.4 換熱器評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀25-28
• 1.4.1 JF因子的研究現(xiàn)狀25-26
• 1.4.2 最小熵產(chǎn)法的研究現(xiàn)狀26-27
• 1.4.3 場(chǎng)協(xié)同原理的研究現(xiàn)狀27-28
• 1.5 螺旋折流板換熱器實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀28-29
• 1.5.1 接觸式實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用研究現(xiàn)狀28
• 1.5.2 非接觸式實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用研究現(xiàn)狀28-29
• 1.6 本文主要研究工作29-31
• 第2章 搭接螺旋折流板換熱器理論分析31-53
• 2.1 引言31
• 2.2 搭接螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)分析31-35
• 2.2.1 板片形狀33-34
• 2.2.2 螺旋角34
• 2.2.3 搭接方式34-35
• 2.2.4 殼程幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)35
• 2.3 殼程結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析35-42
• 2.3.1 特性的選取36
• 2.3.2 控制因素和水平36
• 2.3.3 正交設(shè)計(jì)36-37
• 2.3.4 信噪比(SNR)分析37-38
• 2.3.5 影響分析38-42
• 2.3.6 結(jié)果驗(yàn)證42
• 2.4 殼程螺旋流動(dòng)理論分析42-51
• 2.4.1 殼程理想螺旋流動(dòng)理論分析43-46
• 2.4.2 殼程實(shí)際螺旋流動(dòng)理論分析46-51
• 2.5 本章小結(jié)51-53
• 第3章 搭接螺旋折流板換熱器殼程流動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)研究53-89
• 3.1 引言53
• 3.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象53-54
• 3.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及儀器54-60
• 3.3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)54-55
• 3.3.2 實(shí)驗(yàn)儀器55-60
• 3.4 實(shí)驗(yàn)流程60-62
• 3.4.1 準(zhǔn)備工作60-61
• 3.4.2 實(shí)驗(yàn)步驟61-62
• 3.5 圖像及數(shù)據(jù)處理方法62-65
• 3.6 氣泡運(yùn)動(dòng)的特性分析65-70
• 3.6.1 沿螺旋方向流動(dòng)的氣泡運(yùn)動(dòng)分析65-67
• 3.6.2 沿軸向經(jīng)三角漏流區(qū)的氣泡運(yùn)動(dòng)分析67-70
• 3.6.3 換熱器頂部往復(fù)運(yùn)動(dòng)的氣泡分析70
• 3.7 殼程氣液兩相流型圖像分析70-88
• 3.7.1 氣液兩相折算速度計(jì)算71-72
• 3.7.2 典型折算流速下氣液兩相流態(tài)圖像72-78
• 3.7.3 搭接螺旋折流板換熱器流型圖78-79
• 3.7.4 殼程壓降分析79-88
• 3.8 本章小結(jié)88-89
• 第4章 搭接螺旋折流板換熱器殼程傳熱與流動(dòng)特性分析89-123
• 4.1 引言89
• 4.2 數(shù)值模擬方案89-96
• 4.2.1 CFX軟件的基本情況89-90
• 4.2.2 物理模型與幾何參數(shù)90-91
• 4.2.3 湍流模型和模擬方法91-96
• 4.3 傳熱分析96-100
• 4.3.1 典型截面?zhèn)鳠岱治?/span>96-97
• 4.3.2 軸向傳熱特點(diǎn)97-99
• 4.3.3 徑向傳熱特點(diǎn)99-100
• 4.4 流動(dòng)分析100-111
• 4.4.1 充分發(fā)展段流場(chǎng)分析100-106
• 4.4.2 殼程速度分布特點(diǎn)106-110
• 4.4.3 沿徑向繞流換熱管束的流速分布特點(diǎn)110-111
• 4.5 殼程傳熱與阻力性能分析111-117
• 4.5.1 螺旋角對(duì)殼程傳熱與阻力的影響111-112
• 4.5.2 殼程流動(dòng)特征描述方法驗(yàn)證112-114
• 4.5.3 殼程傳熱與阻力性能關(guān)聯(lián)式114-117
• 4.6 綜合性能分析117-122
• 4.6.1 以JF因子為評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合性能分析118-119
• 4.6.2 以最小熵產(chǎn)法為評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合性能分析119-122
• 4.7 本章小結(jié)122-123
• 第5章 新型橢圓管搭接螺旋折流板換熱器傳熱與流動(dòng)特性研究123-147
• 5.1 引言123
• 5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念123-124
• 5.3 物理模型124-125
• 5.4 殼程傳熱分析125-129
• 5.4.1 典型截面?zhèn)鳠岱治?/span>126-128
• 5.4.2 殼程傳熱特點(diǎn)128-129
• 5.5 殼程流動(dòng)分析129-135
• 5.5.1 充分發(fā)展段流場(chǎng)分析129-131
• 5.5.2 典型截面速度矢量分析131-133
• 5.5.3 殼程流速分布特點(diǎn)133-135
• 5.6 殼程換熱與阻力性能分析135-136
• 5.7 綜合性能分析136-142
• 5.7.1 以JF因子為評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合性能分析136-137
• 5.7.2 以最小熵產(chǎn)法為評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合性能分析137-138
• 5.7.3 以場(chǎng)協(xié)同原理為評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合性能分析138-142
• 5.8 殼程綜合性能優(yōu)化分析142-145
• 5.9 本章小結(jié)145-147
• 第6章 總結(jié)與展望147-151
• 6.1 主要研究成果147-148
• 6.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)148
• 6.3 展望148-151
• 參考文獻(xiàn)151-159
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及研究成果159-161
• 致謝161-163
• 附件163

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：821120