连续螺旋折流板换热器的数值模拟研究

论文摘要

螺旋折流板换热器作为一种新型管壳式换热器,凭借高的对流换热系数、小压降、减少旁通流、减少污垢及防止振动的优势,在传统管壳式换热器的基础上得到迅速发展。由于螺旋折流板换热器内部结构的复杂性,以往的研究大都集中在小壳径、大螺旋角的断续螺旋折流板换热器实验研究上,并且数值模拟方面的研究也较匮乏。本文采用计算流体力学的方法对大壳径、连续螺旋折流板换热器进行了数值模拟研究。通过改变换热器结构参数及工艺条件对连续螺旋折流板换热器壳程流体的流动行为、传热及阻力性能进行了系统的研究,主要包括以下内容:建立换热器管壳程耦合计算的数学模型,采用Realizableκ?ε湍流模型,对壳程直径为Φ500mm、七种不同螺旋角（5.5°32.5°）的螺旋折流板和弓形折流板换热器分别进行了数值计算。模拟结果表明,无论对于水-水工质还是轻蜡油-水工质,螺旋折流板换热器的传热及阻力综合效果要好于弓形折流板换热器。螺旋折流板换热器壳程流场表明,在换热器入口和出口处,速度偏低,速度梯度较大,流场需要改善。远离换热器轴向位置速度稍小,有必要提高该区域的速度。换热管周围温度梯度较大,而在每组管束中间区域及管束与壳壁之间的区域,温度分布均匀,温度梯度较小。局部对流换热系数沿壳径和轴向的变化规律与速度沿壳径和轴向的变化规律类似。局部压力系数沿壳径呈内低外高,沿轴向呈均匀下降的趋势。对于螺旋折流板换热器螺旋角对流体的切向速度影响很大,而切向速度直接影响着流体的换热及阻力。随着螺旋角的增大,壳程对流换热系数和壳程压降均迅速下降;而单位压降下的换热系数则随着螺旋角的增大而增大。对七种螺旋角的螺旋折流板换热器的换热性能、阻力性能及综合评价作了分析。在两种工质下,螺旋折流板换热器壳程对流换热系数随流量的增大而呈线性增加;壳程压降均随流量的增大而增大,在小螺旋角时这种趋势更加明显,而且两种工质时的压降很接近;单位压降下的换热系数均随流量的增大而迅速下降,后趋于平稳。给出了七种螺旋角时的螺旋折流板换热器的Nu与Re的关联式,阻力系数f与Re的关联式。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 壳程强化结构
• 1.2.1 横流式支撑结构
• 1.2.2 纵流式支撑结构
• 1.2.3 螺旋流式支撑结构
• 1.3 螺旋折流板换热器的研究进展
• 1.3.1 实验研究现状
• 1.3.2 数值模拟研究现状
• 1.4 CFD 方法
• 1.4.1 概述
• 1.4.2 控制方程
• 1.4.3 湍流模型
• 1.5 研究内容
• 第二章 换热器的数值方法
• 2.1 物理模型
• 2.2 网格生成
• 2.3 数学模型
• 2.4 控制方程求解
• 2.4.1 方程的离散
• 2.4.2 SIMPLE 算法
• 2.5 边界条件
• 2.5.1 进口条件
• 2.5.2 出口条件
• 2.5.3 壁面条件
• 2.6 参数定义
• 2.6.1 壳程的定性参数
• 2.6.2 壳程对流换热系数
• 2.6.3 壳程阻力系数
• 2.7 小结
• 第三章 螺旋折流板与弓形板换热器数值模拟结果
• 3.1 壳程内部场的对比
• 3.1.1 速度场分布
• 3.1.2 温度场分布
• 3.2 阻力损失比较
• 3.3 传热性能的比较
• 3.4 流体介质物性对两种换热器的影响
• 3.5 小结
• 第四章 螺旋折流板换热器数值模拟结果
• 4.1 螺旋折流板换热器壳程内部场分析
• 4.1.1 速度场
• 4.1.2 温度场
• 4.1.3 局部对流换热系数
• 4.1.4 局部压力系数
• 4.2 螺旋角对螺旋折流板换热器性能的影响
• 4.2.1 螺旋角对换热性能的影响
• 4.2.2 螺旋角对阻力性能的影响
• 4.2.3 螺旋角对换热器综合性能的影响
• 4.2.4 不同螺旋角时的流场分析
• 4.3 螺旋折流板换热器的换热性能
• 4.4 螺旋折流板换热器的阻力性能
• 4.5 螺旋折流板换热器综合性能评价
• 4.6 螺旋折流板换热器的关联式回归
• 4.6.1 螺旋折流板换热器换热关联式的回归
• 4.6.2 螺旋折流板换热器阻力关联式的回归
• 4.7 小结
• 第五章 结论
• 附录
• 符号说明
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢