基于PIV技术的换热器内部场分布特性研究

论文摘要

板翅式换热器具有小温差、传热效率高、结构紧凑等特点,现已广泛应用于空气分离、石油化工、航空航天等领域。引起该类换热器性能下降的主要因素为物流分配不均匀、纵向导热以及温度场的分布不均匀。因为物流分配的不均匀会加剧换热器内部温度场分布不均匀和纵向传热,从而加剧了换热器整体效能的下降,所以物流分配不均匀性对换热器效能的影响在三者中是最主要的。因此如何改善换热器内部的物流分配,从而改善换热器整体效能的研究,一直得到了国内、外专家的共同关注。引起板翅式换热器内部物流分配不均匀性的因素是多方面的,如:不合理的封头结构、制造公差和热交换过程等,其中封头结构的不合理是引起其内部物流分配不均匀性的重要因素。在本文中对封头结构进行了研究,得到上述因素对换热器内部物流分配不均匀性影响的规律,进而对其结构型式进行优化设计,最后达到改善换热器内部物流分配的目的。因而这一研究具有重要的学术价值与工程实用价值。作者首次提出在换热器封头中间添加一块错排打孔的挡板,以改善流体分配均匀性。并采用CFD数值模拟方法对常规型和改进后封头的内部流场分布进行了计算分析。数值分析结果表明:改进型封头出口物流分配及压力分布均匀的均匀性提高。在此基础上,还研究了小孔构型对物流分配不均匀性的影响。研究结果表明,合理的小孔构型可以大大提高改进后封头内物流的均分特性。从研究垂直于旋涡轴线的横截面流态出发,分析了封头结构改进前后内部流场的流型和漩涡的形成演变机理。利用数值模拟结果对封头内部流场旋涡的形成、演变、破裂和消失的规律进行了深入探讨。从分析得到,原始封头主要依靠其内部的横向压力梯度来进行物流的分配,并因物流的分离会产生很多旋涡。旋涡的存在不仅引起机械能的耗散,而且导致了封头出口通道物流分配的不均匀。而对于添加打孔挡板之后的改进型封头,虽然其内部的流场变得更加复杂,但大部分的旋涡出现在挡板的上游,封头出口附近的旋涡数量大大减少,对出口截面物流分配的负面影响降低。研究发现:减少封头内部流场旋涡的数量可以提高其流场分布的均匀性,从而为封头结构的改进提供了理论依据。作者首次将可视化的流场测试方法PIV应用于板翅式换热器入口结构内部的流场分布特性的研究。对添加挡板前后的封头结构进行了PIV试验测量,得到了在不同的入口雷诺数条件下不同挡板结构参数的封头内部的速度矢量和流线图。实验结果表明,原始封头由于封结构的不合理导致漩涡、回流等现象存在,入口管轴线附近流速很高,而偏离入口管轴线处流体的流速极低,封头内部轴向以及径向的物流分配极不均匀。而对于添加了打孔挡板之后的改进型封头,不仅在换热器入口结构长度方向(z方向)上,而且在所测截面的径向(y方向),出口流速分布的均匀性也有了很大提高。安装打孔挡板后,不均匀系数Sv由改进前的1.210降至0.209,最大流速与最小流速之比由23.163降至1.756。CFD数值模拟与PIV实验所得的速度矢量和流线分布情况基本一致。所得的结果表明:PIV和CFD适用于研究复杂流型,且得到的结论在板翅式换热器的优化设计中有重要意义。实验研究了不同流场和不同雷诺数下板翅式换热器出口处一个常规封头和两个改进型封头的流阻和温度分布。研究发现,原始封头入口段物流分配的不均匀导致了换热器出口通道温度分布的不均匀。原始封头的换热器出口温度分布存在着很大的不均匀,并且随着雷诺数和入口温差的增大,这种趋势越来越明显。而孔板型封头结构能有效地改善换热器的物流分配和阻力分布及其温度分布。在不同的雷诺数范围内,孔板型封头改善了阻力分布,换热系数可提高12.9%～17.4%。因此,使用孔板型改进封头可有效地强化换热器的性能,尤其是在高雷诺数时。考虑到传热的强化,设置孔板导致的阻力增加,在工程上是可以接受的。理论和实验结果证明,添加打孔挡板之后的改进型封头的换热器内部流场和温度场的均匀性提高,冷流体的进出口温差增大,整体换热效率提高。国内最大的空分装置生产厂——开封空分集团有限公司已经将本课题组的部分研究成果应用在其换热器封头的结构改造之中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 板翅式换热器的研究背景及意义
• 1.1.2 引起板翅式换热器物流分配不均匀的主要因素
• 1.2 国内外研究进展及动态
• 1.2.1 板翅式换热器物流分配的研究
• 1.2.2 板翅式换热器换热性能影响的研究
• 1.3 板翅式换热器研究方法概述
• 1.3.1 理论分析研究
• 1.3.2 实验研究
• 1.3.3 PIV 激光测速技术的应用
• 1.4 本文的工作
• 第二章 封头内部流场的分布规律研究
• 2.1 旋涡横截面流态及其沿轴向的演变规律研究
• 2.1.1 旋涡的横截面流态
• 2.1.2 旋涡沿轴向的演变规律
• 2.2 旋涡流动的特征研究
• 2.2.1 旋涡沿轴向的流动特征
• 2.2.2 旋涡破裂情况
• 2.3 封头内部流场的计算
• 2.3.1 封头及封头内部流场的物理描述
• 2.3.2 封头内部流场的控制方程组
• 2.3.3 边界条件的处理及收敛条件
• 2.3.4 数值模拟说明
• 2.4 封头内部流场的分布规律
• 2.4.1 流场分布的研究方法
• 2.4.2 原始封头模拟结果
• 2.5 封头内部物流分配的研究
• 2.5.1 不均匀性的评估参数
• 2.5.2 物流分配的分析研究,
• 2.6 本章小结
• 第三章 封头结构的改进研究
• 3.1 常规封头存在的问题
• 3.1.1 原始封头结构存在的问题
• 3.1.2 二次封头结构存在的问题
• 3.2 封头结构改进措施的研究
• 3.2.1 改进思想的提出
• 3.2.2 改进型封头内部流场的分布研究
• 3.2.3 改进型封头结构的计算分析
• 3.3 挡板结构参数的确定
• 3.3.1 挡板小孔布局的影响
• 3.3.2 挡板尺寸的影响
• 3.3.3 中孔面积比率的影响
• 3.3.4 开孔率沿挡板长度方向的分布情况
• 3.4 本章小结
• 第四章 封头结构内流场的 PIV 实验研究
• 4.1 PIV 测试系统及其原理
• 4.1.1 光路系统
• 4.1.2 PIV 测试系统中的示踪粒子
• 4.1.3 图像采集系统
• 4.1.4 同步器及时序控制
• 4.1.5 图像处理系统
• 4.1.6 误差分析
• 4.2 PIV 实验系统的组成
• 4.2.1 实验系统组成及流程
• 4.2.2 风机的选择
• 4.2.3 管道的选择
• 4.2.4 流量计的选择和设计
• 4.2.5 PIV 系统
• 4.2.6 实验试件
• 4.3 PIV 测试实验的方法
• 4.3.1 测量方式
• 4.3.2 激光器控制参数的选取
• 4.4 实验内容
• 4.5 本章小结
• 第五章 PIV 测试结果的分析研究
• 5.1 原始封头内部流场分布特性研究
• 5.1.1 原始封头内部流场分布情况分析
• 5.1.2 不同雷诺数对流场分布的影响
• 5.1.3 原始封头结构存在的问题探讨
• 5.2 改进型封头内部流场分布特性
• 5.2.1 改进型封头内部流场分析
• 5.2.2 封头内部流场横向对比分析
• 5.3 CFD 数值模拟与PIV 实验结果的对比研究
• 5.3.1 PIV 测试结果与CFD 数值模拟结果对比研究
• 5.3.2 微观流场对比研究
• 5.4 挡板结构参数对封头内部流场分布影响的对比研究
• 5.4.1 不同孔径小孔比例的影响
• 5.4.2 挡板长度的影响
• 5.4.3 小孔排布方式的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 板翅式换热器换热特性的实验研究
• 6.1 实验系统简介
• 6.1.1 实验系统回路
• 6.1.2 数据采集系统
• 6.1.3 换热器结构和通道的划分
• 6.1.4 实验误差分析
• 6.2 换热实验结果与分析
• 6.2.1 空气/空气间换热的出口截面温度分布
• 6.2.2 水/空气间换热的出口截面温度分布
• 6.3 换热器流动阻力分布特性的实验研究
• 6.3.1 不同封头结构通道阻力分配的对比研究
• 6.3.2 板翅式换热器进出口总管的阻力分布
• 6.4 换热器整体换热性能的改善
• 6.4.1 传热过程的分析
• 6.4.2 整体换热性能的分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果及获奖情况