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空气—水介质板式换热器流动与传热特性研究

吴华新  
【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。


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