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螺旋折流板管壳式换热器壳程流动与传热机理分析与性能研究

汲水  
【摘要】:管壳式换热器作为一种通用的热工过程设备在炼油、化工、环保、发电、制冷、食品加工、新能源利用等许多工业部门中得到广泛应用。鉴于管壳式换热器在工业生产中的重要作用,改进其性能和提高其效率成为节能减排的重要途径,将产生显著的社会和经济效益。 本文采用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的方式对新型螺旋折流板管壳式换热器的壳程流动传热机理与性能展开研究,在以下几个方面开展了创新性工作: 首先,基于一定假设对螺旋折流板换热器壳程流动进行简化,建立起柱坐标下充分发展理想螺旋流动的数学模型,通过数学推导得到了各速度分量之间的关系式,并通过受力分析从基本机理上研究了螺旋流动的内在规律。以理想螺旋流动研究结果为基础,在考虑更多实际影响因素的条件下,对换热器壳程实际螺旋流动与传热特性进行了分析,对比了其与流体斜掠圆管束和横掠椭圆管束对流换热的异同。 基于连续螺旋折流板与四分之一椭圆非连续螺旋折流板换热器壳程流体区域整体模型,在考虑高黏度流体物性变化影响下,使用RNG k-e湍流模型和网格自适应技术对进出口段和对流换热充分发展段的流动与传热进行了数值模拟。提出了一种能够描述不同结构换热器壳程流体流态的雷诺数统一计算新方法,同时还提出了适用于壳程压降通用计算的壳程阻力因子计算方法,并采用包含了湍流耗散和粘性耗散的机械能耗散率表征壳程局部流动阻力分布。 经过对数值模拟结果的分析,得到了连续和非连续螺旋折流板换热器壳程结构参数对各物理量分布与传热和阻力性能的影响规律。结果发现: 相同壳体内径下螺旋角越大则进出口段越长,螺旋角较小时进出口段的对流换热系数和机械能耗散率小于对流换热充分发展段的,螺旋角较大时相反; 轴向速度分量、机械能耗散率和换热管表面换热量在壳体径向上分布不均匀,壳体中心区域的最大,越靠近壳体内壁越小,且螺旋角越小越不均匀; 同雷诺数下,壳程换热性能随螺旋角的增大仅略有降低,大于一定螺旋角后壳程阻力因子随螺旋角增大显著降低; 通过连续与非连续螺旋折流板换热器壳程流动与传热规律的对比发现,相邻两块非连续折流板间三角区的漏流导致其壳程流动形式严重偏离连续螺旋流动,使壳体径向上轴向流动与换热的不均匀性加剧,并带来极大的局部流动阻力; 交错搭接后壳程流动形式进一步偏离连续螺旋流动,双螺旋结构能提高壳程性能并使不同换热管的换热更均匀; 以上研究结果为螺旋折流板换热器结构参数的选择与设计校核计算打下了基础。 在深入研究了壳程各参数对换热器总体传热与阻力性能的影响后,本文提出了一种新型双壳程连续螺旋折流板换热器。两组连续螺旋折流板同时作为壳程分程隔板,形成两个独立的螺旋通道。在相同壳体内径、入口流量与螺旋角的情况下,双壳程结构可使换热管束无支撑跨距减半,并使壳程流体流速提高一倍,从而有效解决了连续螺旋折流板换热器单纯增大螺旋角后在同流量下换热性能变差、螺旋周期数减少进出口段变长、换热管束无支持跨距变大等问题,显著提高了壳程换热与阻力性能,为管壳式换热器的壳程结构改进提供了新思路。 最后,实验研究发现连续螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器相比壳程综合性能优势明显,同时验证了数值模拟方法的可靠性。


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