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燃气真空锅炉中换热管束的强化换热研究

李俊超  
【摘要】:本课题是郑州大学节能技术研究中心与河南力威热能设备制造有限公司的合作项目,是在企业产品实际应用中发现问题的基础上,结合用户反馈信息,针对性地开展了一系列研究工作。首先介绍了课题的研究背景和意义,提出了燃气真空锅炉中换热管束存在的换热效率低的问题,然后分析了换热管束换热效率低的根源,分别对直径大小不同的换热管的强化换热方法进行了研究,最后通过改善蒸汽在管束空间的流通方式,进一步提高了换热管束部分的换热效率。 本课题研究内容,可概况为以下四个方面: (1)结合锅炉应用实践,找出了现有燃气真空锅炉中常用平直换热管束存在的两种主要缺陷:首先是平直换热管内部热阻大,流体流经换热管内表面时,在管壁附近形成边界层,流体的速度梯度变化较大,管内会形成很大的热阻层,严重影响传热性能;其次,由于平直换热管束的密集布置,不能使换热空间充分展开,造成蒸汽通道过窄,而且蒸汽冷凝过程产生的冷凝水不能及时排除,管外冷凝热阻增大。 (2)开发了一种新型等弦波形强化换热管,在场协同理论的基础上,分析了等弦波形管的强化传热机理;同时分析了等弦波形管由于其自身特殊的结构,强迫管内主流区流体向边界层及边界层向主流区的流动,改善了温度场与速度场的协同性,减小了协同角,起到了强化传热的作用。通过正交试验法对实验方法的有效设计,大大的减少了试验次数,运用CFD中的Fluent软件,对16种模型进行了逐一模拟,用极差分析法得到了等弦波形管的最佳结构组合。通过计算得出了等弦波形管内流体温度场与速度场的协同角。通过综合热工性能评价,证实等弦波形换热管有较好的热工性能,对流传热系数比直管在相同条件下提高47.6%。最后设计了等弦波形换热管的加工方法,该方法具有操作简单、加工成本低的优点,容易实现企业的规模化生产。 (3)对于管径较大的换热管,改变换热管本身结构来强化管内换热性能难度较大,因而开发了一种流体阻力较小的新型格栅纽带,并对格栅纽带在大管径中的强化换热进行了全面的理论分析,重点分析了格栅纽带强化换热的三种方式,即插入格栅纽带当量直径减小引发的强化换热特性、管内流体螺旋流动速度提升的强化换热特性,以及格栅纽带特点和螺旋流动引发二次流的强化传热特性等。接着,构建了结构参数相同的普通螺旋纽带模型并进行了数值模拟对比,在同等工况下,格栅纽带具有较好的综合换热性能,即虽然传热系数有所降低,但在考虑压降的情况下,比普通纽带有更好的综合价值。最后,建立了五种格栅纽带模型,分别设定了五种试验工况,一共做了二十五组数值模拟试验,得出了不同模型不同工况下格栅纽带的换热和压降特点,总结了格栅纽带的换热系数和压降随雷诺数和扭比的变化规律,为格栅纽带在不同条件下的应用指明了方向。 (4)结合锅炉生产厂家及用户的反馈信息,针对燃气真空锅炉现有的换热管束结构存在的不足,为强化管束外相变换热,在锅炉内部设置了新型导流板和折流板等结构,改变了蒸汽冲刷换热管束的方向,实现了真空锅炉中换热管束外蒸汽与冷凝液膜的同向流动,大大促进了液膜在壁面的快速剥离,强化了蒸汽与换热管束壁面的冷凝换热。应用场协同等强化传热理论,对锅炉中换热管束外相变冷凝的强化换热机理进行了详尽的分析。 上述研究成果对强化燃气真空锅炉中换热管束的对流换热及其工程应用奠定了基础。


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