管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的数值模拟研究

论文摘要

换热器是各种具有热能行业中应用最为广泛的设备之一,往往占设备总投资的很大一部分。而诸多换热设备中,管壳式换热器为最常用的换热设备结构形式。目前将近一半的换热器壳侧均存在两相流动及相变传热。由于两相流动具有很大的随机性,使得壳侧的传热系数与压降的变化存在着较大的不可预测性。因而,对换热器壳侧相变传热及两相流动对设备性能的影响的研究,对改善换热设备性能,提高换热效率有着重要的意义。论文采用数值模拟方法,使用CFD软件FLUENT对管壳式换热器壳侧按两种不同的流体介质的两相流动及相变传热进行了模拟计算,一种为流体为高温饱和水蒸汽；另一种为低温冷却水。根据壳侧流体流动特点,选定合适的湍流模型、两相流模型为混合物模型,并根据汽水转化公式编写了自定义函数UDF来描述相变过程质和量的传递。根据相变换热的计算公式计算所得结果与模拟结果进行对比,证实所建立物理模型及所选用的计算模型的可行性与准确性。分别研究两种情况下,壳侧各流场的分布情况及不同的入口介质参数对换热器壳侧传热系数及压降的影响规律。通过模拟结果对比得出壳侧总的换热量相同的情况下,流体介质为水蒸汽(换热方式为冷凝相变)工况与流体介质为冷却水(换热方式为沸腾相变)工况对换热器壳侧换热性能的影响不同,前者的单位压降下的传热系数为后者的2.9倍。论文研究了管壳式换热器壳侧流场特点及其对换热效果的影响,为类似换热器性能的改善提供了有价值的参考。并根据不同的传热系数及压强分布情况,对换热器壳侧流动介质进行合理的选择起到指导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的及意义
• 1.2 管壳式换热器的研究发展情况
• 1.2.1 管壳式换热器的国外研究发展情况
• 1.2.2 管壳式换热器的国内研究发展情况
• 1.3 管壳式换热器两相流及相变传热工况研究
• 1.3.1 换热器相变传热的应用与研究进展
• 1.3.2 换热器两相流的应用与研究进展
• 1.4 论文主要工作内容
• 第2章 数值模拟模型及方法
• 2.1 湍流模型及其模拟方法
• 2.1.1 直接模拟法
• 2.1.2 大涡模拟法
• 2.1.3 雷诺时均化方程的模拟法
• 2.1.4 k-ε双方程模型
• 2.2 两相流模型
• 2.2.1 两相流概念及分类
• 2.2.2 气液两相流物理模型
• 2.2.3 气液两相流湍流模型
• 2.2.4 气液两相流计算模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 有相变的对流换热分析
• 3.1 沸腾换热
• 3.1.1 沸腾传热过程
• 3.1.2 影响沸腾传热的因素
• 3.2 冷凝换热
• 3.2.1 冷凝换热过程
• 3.2.2 影响冷凝传热的因素
• 3.3 本章小结
• 第4章 管壳式换热器壳侧的数值模拟
• 4.1 数值模拟的基本过程
• 4.2 建模及求解设置
• 4.2.1 结构参数
• 4.2.2 模型建立与网格划分
• 4.2.3 壳侧走蒸汽情况计算求解过程设置
• 4.2.4 壳侧走冷却水情况计算求解过程设置
• 4.3 模型选择及相变的可行性验证
• 4.4 本章小结
• 第5章 数值模拟结果及分析
• 5.1 壳侧冷凝工况模拟分析
• 5.1.1 壳侧速度流场模拟分析
• 5.1.2 壳侧凝结水体积分布模拟分析
• 5.1.3 壳侧温度场分布模拟分析
• 5.1.4 壳侧压力场分布模拟分析
• 5.2 不同入口蒸汽参数对换热器性能的影响
• 5.3 壳侧沸腾工况模拟分析
• 5.3.1 壳侧速度流场模拟分析
• 5.3.2 壳侧相变气体体积分布模拟分析
• 5.3.3 壳侧温度场模拟分析
• 5.3.4 壳侧压力场模拟分析
• 5.4 不同参数对换热器性能的影响
• 5.4.1 不同入口冷却水参数对换热器性能的影响
• 5.4.2 不同管程蒸汽入口温度对换热器性能的影响
• 5.5 沸腾工况与冷凝工况对换热器壳侧性能影响的比较
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢