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管壳式换热器分液特性实验研究与数值模拟

王华峰  
【摘要】:能源的急剧下降和环境的不断恶化使人们意识到节能环保的重要性,现有社会的各种能耗中,换热设备占有很高的比例。鉴于各国高能耗的现状和换热器在工业生产中的广泛应用,提高换热器的换热性能势在必行。管壳式换热器由于结构简单,选材范围大,适应高温高压,造价低等,在化工、石油、能源、动力、医院、食品、冶金等部门中应用相当广泛。蒸汽凝结是一种伴随有相变的对流传热过程,为了获得较高传热效率的同时,必须考虑到换热器的设计与节能降耗的关系。针对管内冷凝式换热器而言,蒸汽在管内流动过程中,由于管内壁面形成凝结液膜,流动的状态由珠状凝结换变为膜状凝结。并且随着液膜的不断增厚,而导致热阻增加,使传热不断恶化。探索研究管内凝结式换热器管程侧的强化换热,如何减少膜状凝结段的长度,最大限度地维持蒸汽处于较高换热系数的管段或高效换热流态流型,对于提高管壳式换热器的整体换热性能具有重要的意义,而且有助于解决管壳式换热器用能低效的缺陷。本文利用自行设计搭建的凝结换热实验台,对一种带有中间排液结构的管壳式换热器进行了实验研究。该换热器以水作为循环工质,通过调节不同的蒸汽进口压力,控制换热器出口凝液的温度,对这种新型高效管壳式换热器的凝结传热过程进行了实验研究。采用Fluent模拟软件对换热器壳侧流体温度场、速度场以及管侧流体凝结换热中凝结液和蒸汽的分布情况进行了数值模拟。研究表明:在形成稳定液封并能进行排液的情况下,随着开启漏液管数的增加,其换热量、凝结换热系数以及总传热系数均可得到提升,但是换热温差随漏液管开启数目的增多而降低;漏液量越大,强化换热器性能的趋势越明显,越能缓解因积液存在而导致换热器传热恶化。实验证实,不同的冷却水流量,对应不同漏液管开启数,在蒸汽进口压力为0.17Mpa、温度115.3℃和冷却水流量0.058kg/s情况下,开启两根漏液管时对改善换热器传热恶化的效果最明显,换热量升高1.38%,总传热系数上升幅度为2.82%;蒸汽进口压力为0.17Mpa、温度115.3℃和冷却水流量0.06kg/s时,开启三根漏液管时对改善换热器传热恶化的效果最明显,换热量升高1.66%,总传热系数上升幅度为3.59%。通过数值模拟对实验值进行了相应的对比,在冷却水进口流速为0.18m/s时,分别开启0、1、2根漏液管情况下,模拟值与实验值的误差范围为12.4%~13.9%;当冷却水进口流速分别为0.18m/s、0.19m/s、0.20m/s情况下,开启一根漏液管时,模拟值和实验值的误差范围为11.8%~13.1%。通过本文的实验研究以及数值计算,为今后对研发设计高性能的管内冷凝式换热器奠定实验基础,并具有一定的参考意义。


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