空气—水介质板式换热器流动与传热特性研究

论文摘要

随着社会经济技术的发展与进步,能源日益有限。强化传热技术,高效、节能的产品备受瞩目。研究强化传热技术,设计开发新颖的、紧凑的高效换热装置,成为一个具有理论和实践意义的重要课题。本论文的主要内容是研究基于一次表面换热原理的空气一水介质波纹板式换热器的流动与传热特性。在广泛调研国内外的板式换热器与燃气轮机回热器应用一次表面实现高效传热的理论研究、实验研究、数值模拟和模型研制的基础上,将一次表面引入到空气-水换热过程,拓展了一次表面换热装置的应用领域。在研究中先将传统的水一水介质波纹板式换热器改装成空气一水换热器,进行实验,通过与光管式、翅片管式紧凑型换热器的传热与流阻的权威数据进行比较,表明一次表面波纹板式换热装置具有结构紧凑与低流动阻力的特征,利用一次表面可实现空气-水之间的高效传热。一次表面波纹板上波纹的凸起与凹陷不仅可促进无源的扰动,还可阻断边界层发展。带有倾角的波纹板叠合放置,板间形成的流道是复杂的空间结构,针对其特点,本研究建立了描述空气在波纹板间的流动与传热过程的数学模型。通过数值求解27种可代表一次表面形面特征的物理模型,比较了波纹形状、波纹高度及波纹倾角对空气在波纹板间传热与流动的影响,以高对流换热系数与小流动阻力作为指标,初选了几种高效的一次表面。又以面积最佳传热因子j/f/与体积最佳传热因子E作为后续评价依据,实现优中选优。研究中从波纹的不等截面积流道理论出发,创新性地提出了不等高度波纹的方法。通过实验证明该方法可进一步缩小了两侧流体的热容比,提高换热效率。并将实验结果与模拟的数据进行了比较,对建立的数学模型实现了验证,表明用于模拟的数学模型能够满足本研究的需要。研究中还对不锈钢波纹板的防冻性能进行了实验研究,实验中测定了水在不锈钢表面最高结冰温度,波纹板的凸凹结构可破坏冰在波纹板表面的附着,具有防结冻的功能。以实验为依据,建立了水在波纹板间的三维静止结冰与流动结冰的数学模型,进行了模拟计算,分析了水在波纹板间结冰过程中温度变化与相变界面移动规律,有助于改进波纹板的设计。本研究为一次表面及其类似介质的紧凑、高效换热装置的设计与开发提供了依据,拓展了一次表面的应用,具有一定的理论与实践价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源、目的和意义
• 1.2 一次表面相关换热技术发展综述
• 1.2.1 板式换热器
• 1.2.2 燃气轮机回热器
• 1.2.3 复杂通道内流动与传热的相关研究
• 1.3 空气-水板式换热器的研究现状
• 1.4 本文研究的主要工作
• 第2章 模型实验与分析
• 2.1 空气-水板式一次表面换热实验模型的建立
• 2.1.1 水-水换热板片组合的方法
• 2.1.2 空气-水换热板片组合的方法
• 2.2 空气-水板式一次表面换热实验的原理与方法
• 2.2.1 空气侧流动与传热过程
• 2.2.2 热水侧流动与传热过程
• 2.2.3 空气-水板式一次表面换热实验系统与设备
• 2.3 空气侧摩擦因子f的测量原理与数据获得
• 2.3.1 摩擦因子f的测量原理
• 2.3.2 摩擦因子f的数据获得
• a的测量原理与数据获得'>2.4 空气侧对流换热系数α_a的测量原理与数据获得
• 2.4.1 空气侧传热特性实验数据的测量原理
• 2.4.2 空气侧传热特性实验数据的获得
• 2.5 实验的结果
• 2.5.1 实验数据的采集与整理
• 2.5.2 实验数据分析
• 2.5.3 与其它形式的空气-水加热器的比较
• 2.6 实验误差分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 空气在波纹板间流动与传热的模拟研究
• 3.1 空气在波纹板间流动与传热的物理模型与数学模型
• 3.1.1 物理模型的建立与流动传热过程描述
• 3.1.2 数学模型的建立与描述
• 3.1.3 计算区域的确定与网格划分
• 3.1.4 边界条件和起始条件
• 3.1.5 控制方程的求解
• 3.1.6 流动传热分析的有关参数与定义
• 3.2 空气在波纹流道内的流动与传热过程分析
• 3.2.1 计算区域的速度分布特性与分析
• 3.2.2 计算区域的压力分布与分析
• 3.2.3 计算区域的温度分布与分析
• 3.2.4 计算区域空气流道的阻力系数厂与努谢特数Nu计算
• 3.3 一次表面的传热与流动性能比较
• 3.4 换热表面的性能评价
• 3.4.1 传热因子j与摩擦因子f比较法
• 3.4.2 传热系数α-风机功率E比较法
• 3.5 本章小结
• 第4章 空气-水板式换热器实验与数值模拟计算的比较与分析
• 4.1 不等高度波纹理论的提出
• 4.2 模拟与实验样机模型的有关参数的确定
• 4.2.1 模拟模型
• 4.2.2 实验样机模型实验
• 4.2.3 模拟与实验模型的数据比较
• 4.3 本章小结
• 第5章 水在波纹板间的结冰过程研究
• 5.1 水在波纹板间结冰过程的实验研究
• 5.1.1 静止结冰的实验研究
• 5.1.2 流动结冰的实验研究
• 5.2 水在波纹板间结冰过程的模拟研究
• 5.2.1 水在波纹板间结冰的物理模型与数学模型
• 5.2.2 静水结冰控制方程
• 5.2.3 流动结冰控制方程
• 5.2.4 求解静水与流动结冰控制方程
• 5.2.5 数值模拟结果与分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 个人简历
• 附录