新型复合人字形板式换热器传热与流动理论分析及实验研究

【摘要】：目前中国正面临着环境污染、能源紧张和节能减排的多重压力,能源供应成为制约我国经济发展的瓶颈。因此如何有效的利用能源和节约能源成为保证国民经济不断向前发展的重要因素。板式换热器作为一种传热性能优越的热动力元件,广泛的应用于石油、化工、动力、制冷和食品加工等行业,因此研究强化传热技术、开发新型的、紧凑的、高效的板式换热器,提高板式换热器的换热性能,减少换热过程中的能量损失,具有十分重要的意义。本文提出了一种新型复合人字形板式换热器,采用理论分析、数值模拟及实验研究相结合的方式对其换热特性和阻力特性展开了研究。 首先,依据一定假设对板式换热器进行简化,建立了完整流道的板式换热器模型,在考虑介质流体物性变化和流体与固体耦合换热的基础上,使用RNG k-ε湍流模型、换热面网格加密技术、边界层网格技术及GGI(general grid interface)网格链接技术,模拟分析了1-1程三流道板式换热器模型。通过对数值模拟结果的分析,得到了包括：大小波纹比例、波高、波纹密度及波纹倾斜角度在内几个重要几何参数对复合人字形板式换热器流动与传热特性的影响规律；同时讨论分析了复合人字形板式换热器流道内介质流动形态、速度分布、压力分布、和温度分布以及换热面的温度分布和热流分布情况。 基于场协同原理,综合考虑速度场、温度场及压力场三场的协同性,分析了波纹倾斜角度对新型复合人字形板式换热器的协同性影响,结果显示：波纹倾角在30°-70°范围内,倾角为30。的复合人字形板式换热器三场协同性最佳。 根据(?)耗散原理,定义了评价换热器性能的(?)耗散均匀性系数。火积耗散均匀性系数代表换热器内(?)耗散分布情况,当换热器内(?)耗散分布均分时,换热器总的(?)耗散最小；同时定义了(?)耗散的分配率,其代表换热器内由温差引起(?)耗散与由阻力引起(?)耗散之间的比例关系。复合人字形板式换热器的(?)耗散均匀性和(?)耗散分配率分析结果表明：在对流换热过程中(?)耗散与系统有用能损失存在对应关系,火积耗散最小意味着系统有用能损失最少；同时(?)散与系统(?)耗散均匀性也存在对应关系,系统(?)耗散越均匀意味其(?)耗散越小,即系统有用能损失最少。随着雷诺数的增加,在总的(?)耗散中,由阻力引起的(?)耗散比重逐渐增大。 通过建立复合人字形板式换热器实验系统,对复合人字形板式换热器进行了水-水及油-水实验研究,得到了流体在这种换热器内的换热准则方程和流动特性方程。实验结果和数值模拟结果均表明：复合人字形板式换热器的综合性能与传统人字形板式换热器相比优势明显。 最后,本文研究了复合人字形板式换热器内的气液两相流动与传热,给出了不同蒸汽入口速度和蒸汽入口体积含气量的影响规律。