增膜型蒸发空冷器强化传热传质研究

论文摘要

蒸发式空冷器广泛用于炼油、化工、冶金等流程工业。本文提出的一种新型蒸发式空冷器——增膜型蒸发式空冷器,在管束的每上下两管之间装上亲水的平板,上管落下的热水在增膜板表面铺展成膜,与空气传热传质的面积增大,高温水膜在板上被冷却成低温水膜,与没有增膜板相比,低温水膜流到下管上,扩大了管内外温差,强化了下管的换热能力。研究建立了换热管和增模板的传热传质模型。以水膜和空气之间的温差和含湿量差作为传热传质驱动力,建立了可以显式差分求解的数学模型,模型形式简洁,易于求解。传统模型一般假设热流体与水膜并流,水膜与空气逆流。在吸收传统的换热管一维传热传质模型优点的基础上,研究建立了用于增膜型空冷器的二维传热传质模型,考虑了热流体与水膜错流、水膜与空气逆流和空气绕流管外水膜换热系数随管外环向角变化的实际情况,所以模型中5个独立的未知变量(热流体温度、空气温度、空气含湿量、水膜温度、水膜流量)都是在水平管轴向和铅垂方向二维分布的,与传统的铅垂方向一维模型有明显区别。准确获取水膜厚度是计算蒸发式空冷器管外换热系数的关键之一。研究提出了一种水膜厚度测量方法——电阻法。利用金属换热管电阻为百欧级、水膜电阻为兆欧级、空气电阻为无穷大的特点,在千分尺上和金属换热管上接上两电极,即可测出水膜厚度,测量精度达μm。测量了换热管外壁环向上水膜厚度随角度变化的数据,测量了增膜板上水膜厚度随高度变化的关系。建立了换热管和增膜板上水膜厚度和水膜热阻的模型。针对二维传热传质模型数值求解时,二元迭代函数曲线斜率绝对值小于1和迭代值衰减振荡的特点,证明了迭代值衰减振荡二元简单迭代法根的存在性、唯一性和收敛性,推论了二元弦割法迭代求解的收敛性。模型求解使用的显式迭代算法,比隐式迭代算法节省计算机内存。用Matlab软件编制了多管程传热传质计算软件。此软件的编制提高了对蒸发式空冷器传热传质性能的研究效率。分析了增膜板对多管程蒸发式空冷器中各管程和各排换热管强化传热程度的变化。增膜板对第一管程第一排管传热的全管强化度较小,到第二排时全管强化度就迅速增加,到第三排管时全管强化度达最大值,随后各管程各排管的全管强化度缓慢减小,但都有强化传热作用。从水膜在换热管外的流动方向看,经增膜板冷却的水膜落到管子顶部时,对传热的沿角强化度最高,随着水沿管壁流动,水温逐渐升高,沿角强化度逐渐减小。增膜板对管子传热沿角强化度的变化规律在管长方向基本相同,故热流体温度变化对增膜板的沿角强化度γ几乎无影响。通过实验,测量和研究了增模板的强化传热传质能力。通过正交实验探索了影响蒸发空冷器换热的主要因素,通过多因素的单变量实验探索了光管管束、增膜板管束、迎面风速、单位面积喷淋量对蒸发空冷器换热性能的影响。实验结果表明,增膜板管束换热能力的提高量与工况有关;在某些工况条件下,与光管管束相比,增膜板管束换热能力的提高量可达25%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 文献综述
• 1.3 传热传质计算模型演化
• 1.4 研究内容及研究方案
• 2 传热传质系数的处理
• i和热阻R_i'>2.1 管内对流换热系数h_i和热阻R_i
• 1'>2.2 管内外污垢热阻和管壁热阻R₁
• w测量'>2.3 换热管上的水膜热阻R_w测量
• c和传质系数h_m'>2.4 管外水膜与空气间的传热系数h_c和传质系数h_m
• cp和传质系数h_mp'>2.5 增膜板上的传热系数h_cp和传质系数h_mp
• 2.6 本章小结
• 3 换热管与增膜板的二维传热传质模型
• 3.1 增膜板和换热管耦合传热传质物理模型
• 3.2 增膜板的传热传质数学模型
• 3.3 换热管传热传质数学模型
• 3.4 传统一维模型与本文二维模型的计算结果比较
• 3.5 本章小结
• 4 多管程二维传热传质模型的数值求解
• 4.1 增膜型空冷器数值计算软件架构
• 4.2 模型的迭代顺序
• 4.3 二维模型迭代设计
• 4.4 二元简单迭代收敛性证明
• 4.5 二元弦割法收敛性的验证
• 4.6 模型中5个变量沿铅垂方向的分布状况
• 4.7 模型中5个变量的二维分布状况
• 4.8 本章小结
• 5 增膜板强化传热传质实验研究
• 5.1 实验目的和实验台架
• 5.2 空冷器换热能力测试方案论证
• 5.3 正交实验结果及分析
• 5.4 单因素实验结果及分析
• 5.5 水膜温度和空气温湿度测量结果及分析
• 5.6 本章小结
• 6 增膜板强化传热传质性能分析与讨论
• 6.1 增膜板强化传热数值结果及分析
• 6.2 增膜板强化传热能力的实验验证
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 增膜型空冷器数值计算软件要点说明
• 附录2 饱和空气含湿量和水的汽化潜热关联式
• 附录3 攻读博士期间发表的论文和申请的专利
• 附录4 符号说明
• 英文字母符号
• 希腊字母符号
• 上、下标