含水原油在内肋管内的流动与传热特性研究

论文摘要

近年来,由于工艺要求、能源危机等诸多因素,强化换热技术已得到了较大发展,并且广泛应用于石油、化工、动力和制冷等工程领域的换热设备中。研究各种传热过程的强化问题用以设计新颖的紧凑式换热器,不仅是现代工业发展中必须解决的问题,同时也是开展节能工作的紧迫任务。现有文献对低雷诺数下内肋管的传热与流动性能研究较少,尤其针对流动介质为含水原油的研究至今未见报道。为此,以低含水原油为加热介质,采用数值模拟和实验研究相结合的方式,对管壳式换热器管程(分别为光滑盘管和强化换热管)进行了研究,首次研制开发了一种新型内肋管。此管可使流体在内外管之间的不规则环形流道内流动,接受双向传热,有较好的强化传热效果,且流动阻力增加较小。在雷诺数Re=200～1200范围内,模拟所得的平均换热系数和范宁摩擦系数与实验结果偏差都在20%以内,说明模拟可信。运用Datafit对模拟和实验所得的57组数据进行拟合,获得了努谢尔数、范宁摩擦系数与雷诺数、肋几何参数的准则关系式,分析了每周肋片个数以及肋片的结构参数(如单个肋片的高度、长度、宽度)对换热和阻力的影响,通过对正交实验结果进行比较分析,得到了肋几何参数的优化方向,并且还把综合性能最优的内肋管与光管进行了对比。另外,在所研究范围内首次发现一个“热力性能增速不稳定区”,在此区域内,平均换热系数会有一个陡变的过程,这一发现为工程中内肋管管内流态的判断提供了理论依据。此外,实验研究了含水率及蒸汽温度对流动和传热性能的影响规律。总之,所得的准则关系式及优化参数可为换热设备的结构优化和工程应用提供一定的设计参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 强化传热技术概述
• 1.2.1 强化传热原则
• 1.2.2 强化对流换热的手段
• 1.3 几种强化传热技术的研究进展
• 1.3.1 粗糙表面法研究综述
• 1.3.2 扩展表面法研究介绍
• 1.3.3 三维内肋管强化传热的研究进展
• 1.4 强化传热性能分析与评价
• 1.5 论文研究内容
• 第二章 强化传热研究方法介绍
• 2.1 实验系统简介
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 实验过程
• 2.1.3 参数的测量
• 2.2 数值模拟概述
• 2.2.1 基本物理模型
• 2.2.2 湍流和涡流模型
• 2.2.3 初始条件和边界条件
• 2.3 本章小结
• 第三章 含水原油在光管内流动与传热特性研究
• 3.1 实验数据处理
• 3.1.1 雷诺数
• 3.1.2 换热系数
• 3.1.3 努谢尔数
• 3.1.4 范宁摩擦系数
• 3.2 数值模拟过程
• 3.2.1 物理模型
• 3.2.2 油品物性描述
• 3.2.3 控制方程和边界条件
• 3.3 模拟和实验结果分析
• 3.3.1 模型的实验验证
• 3.3.2 流场描述
• 3.3.3 蒸汽温度对Nu及f的影响
• 3.3.4 含水率对Nu及f的影响
• 3.3.5 数据回归
• 3.4 本章小结
• 第四章 含水原油在新型内肋管内流动与传热特性研究
• 4.1 正交实验设计的基本方法
• 4.1.1 确定考核指标
• 4.1.2 挑因素、选水平
• 4.1.3 选择合适的正交表
• 4.1.4 用正交表安排实验
• 4.1.5 正交实验结果的常规分析
• 4.2 数值模拟过程
• 4.2.1 物理模型及换热元件
• 4.2.2 油品物性参数及边界条件设置
• 4.3 数据处理
• 4.3.1 实验数据处理准备工作
• 4.3.2 模型验证
• 4.3.3 流场与温度场描述
• 4.4 结果分析
• 4.4.1 不同评价指标下各因素影响性研究
• 4.4.2 内肋管结构尺寸对换热和流动阻力的影响
• 4.4.3 实验所用内肋管与光管流动与传热性能比较
• 4.4.4 新型内肋管强化传热回归公式
• 4.5 不同实验条件下流体流动与传热性能研究
• 4.5.1 含水率对流体流动与传热特性的影响
• 4.5.2 蒸汽温度对流体流动与传热特性的影响
• 4.6 本章小结
• 结束语
• 5.1 含水原油在光管内流动与传热特性研究结论
• 5.2 含水原油在新型内肋管内流动与传热特性研究结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢