螺旋折流板换热器的研究

论文摘要

螺旋折流板换热器一种低压降换热器。虽然螺旋折流板换热器在国内的应用越来越多,但很多工艺计算往往依赖国外公司,主要原因是实验数据少,不足以归纳出螺旋绕流流动和传热关联式或者验证模拟结果。本论文针对螺旋折流板换热器,分别采用实验和数值模拟的方法研究其壳程流体的换热性能和流动阻力,提出螺旋流流动传热膜系数及阻力关联式,丰富流体流动和传热理论,并为螺旋折流板换热器的工程设计和应用提供参考。在实验方面,利用大庆石油机械厂的实验装置,设计了不同螺旋角的螺旋折流板换热器和普通弓形折流板换热器,进行了不同试验工况下壳程流体的压力降和传热性能实验。考察了不同螺旋角度和螺距对螺旋折流板换热器壳程流体换热性能和流动阻力的影响。在模拟方面,分别对螺旋折流板换热器和普通弓形折流板换热器应用FLUENT软件进行数值模拟,得到了与试验工况相同的壳程压力降和传热系数。将两种分析方法所得结果对比,压力降和传热系数数值计算误差分别在18%和15%之内。应用验证后的数值计算模型,研究了不同螺旋角度和螺距对壳程流体换热性能和流动阻力的影响。根据数值计算结果,参考普通弓形折流板换热器的关联式,拟合得到了螺旋折流板换热器壳程压力降和传热系数关联式。考虑到换热器的结构放大效应,基于美国鲁姆斯公司(ABB Lummus Global)对螺旋折流板换热器的设计结果对换热器壳程压力降和传热系数关联式进行了修正,为螺旋折流板换热器的设计和工程应用奠定了一定的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 管壳式换热器的研究背景
• 1.2 管壳式换热器现状和发展
• 1.3 管壳式换热器分类
• 1.3.1 板式支撑结构
• 1.3.2 杆式支撑结构
• 1.3.3 其他形式的支撑结构
• 1.4 本论文的研究内容
• 第二章 螺旋折流板换热器壳侧传热与流阻性能实验研究
• 2.1 壳程传热系数和压力降的实验测定原理
• 2.1.1 总传热系数
• 2.1.2 管程传热系数
• 2.1.3 壳程传热系数
• 2.1.4 壳程流体压降的组成
• 2.2 试验过程
• 2.2.1 试验方案
• 2.2.2 实验步骤
• 2.2.3 流体物性数据
• 2.2.4 试验装置
• 2.3 实验结果及分析
• 2.3.1 壳程压力降
• 2.3.2 壳程传热膜系数
• 2.4 本章小结
• 第三章 管壳式换热器数值模拟的基本理论和方法
• 3.1 引言
• 3.2 计算流体动力学的基本原理
• 3.2.1 CFD的数值方法
• 3.2.2 CFD的特点及应用
• 3.3 流体流动的基本特性与流体动力学控制方程
• 3.3.1 质量守恒方程
• 3.3.2 动量守恒方程
• 3.3.3 能量守恒方程
• 3.4 湍流的数值模拟方法
• 3.5 湍流模型简介
• 3.5.1 涡粘模型
• 3.5.2 Reynolds应力方程模型（RSM）
• 3.6 数值模拟软件FLUENT简介
• 3.7 本章小结
• 第四章 螺旋折流板换热器的壳侧流体流动与传热数值模拟
• 4.1 数值模拟模型的建立
• 4.1.1 建立模型
• 4.1.2 网格化分
• 4.2 计算求解
• 4.2.1 网格的导入、检验和修改
• 4.2.2 求解器的选择
• 4.2.3 求解方案的选择
• 4.2.4 流场计算算法
• 4.2.5 迎风格式的选择
• 4.2.6 欠松弛因子
• 4.2.7 边界条件
• 4.3 数值模拟结果与分析
• 4.3.1 数值模拟准确性验证
• 4.3.2 壳程压力损失
• 4.3.3 壳程传热性能
• 4.4 本章小节
• 第五章 壳程流动阻力和传热准则方程的拟合
• 5.1 实验数据分析
• 5.2 壳程传热准则关系式的拟合
• 5.3 壳程压力损失关系似的拟合
• 5.4 基于ABB设计结果对壳程压力降和传热系数关联式的拟合
• 5.5 基于拟合关联式对螺旋折流板换热器的工艺计算
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书