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《机械科学研究总院》 2017年
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真空炉翅片管换热器的结构优化设计

杨文静  
【摘要】:本文主要针对已应用的翅片管换热器结构进行优化设计,通过对国内外发展现状的研究表明:不同的翅片形状,不同的结构参数(翅片间距、翅片厚度、翅片高度、管排数、管间距等)对翅片管换热器的换热性能都有一定程度的影响。而且随着科技的发展不单单依靠实验的手段对换热性能进行研究,出现了数值模拟与传统实验相结合的方式,可以对多种影响因素和设计方案进行系统研究和分析,使得研究结果更加准确。但是从文献中可以看出,大多数研究者仅仅就其自身结构、排布方式以及外界条件中一方面对其换热效果进行探究,本文则将这几点结合起来,对翅片管换热器进行结构优化设计。运用数值模拟手段,系统分析翅片管换热器内部多因素对换热效果的影响,选择基本单元进行模拟研究,通过正交试验确定影响因素的模拟试验方案,再采用Fluent软件对试验方案进行传热过程模拟,通过极差分析得到翅片管式换热器五个关键结构参数对翅片管换热系数的影响规律:xyhδd,获得翅片管结构参数中四个因素的初步优化结果。在此基础上,对翅片间距δ做进一步的试验模拟,综合考虑结构设计的经济性,得出翅片管换热器最佳结构参数范围,从而确定结构设计的最终优化结果,即翅片管横向间距x=48mm,翅片管纵向间距y=40mm,翅片间距δ=1.5mm,翅片高度h=10.5mm,翅片厚度d=0.5mm。结合不同工艺条件并结合数值模拟的方法计算换热器整体结构,由于现有的翅片管换热器结构主要基于经验的选择,由此就可能出现冷却能力太高或者太低的情况,即小马拉大车或者大马拉小车,很难确定是否刚好合适,文中选取三种不同工艺条件,即T=1100K,v=15m/s;1200K,25m/s;1300K,30m/s,利用本文研究的设计方法可以比较明确地得到翅片管换热器中换热管的数量。针对数值模拟的结果进行工程实验的验证,确立的实验目标,并对实验装置、实验对象及实验方法进行详细描述,设计合理的实验方案,完成相关参数的现场测试,与数值模拟结果进行对比及误差分析。通过实验研究表明,实验结果与数值模拟预测结果基本相符,但存在一定误差,误差值保证在10%以内,符合误差合理范围,实验验证了数值模拟方法的可靠性,使得换热器的换热功能与炉型所需工艺基本相符,减少了不必要的能源浪费,换热效果更佳,为今后其他炉型换热器的设计提供了理论依托,避免了配比不当造成的能源损失。
【学位授予单位】:机械科学研究总院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ051.5

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【参考文献】
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