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扭曲椭圆管换热器传热与压降性能的研究

谭祥辉  
【摘要】:强化型高效传热管取代原来的普通金属光滑管,既可节约金属管材和降低设备费用,又能显著地提高热能利用效率,降低能耗。与传统的换热器相比,扭曲管换热器具有传热效率高、压降低、抗垢性能好、占地面积小等诸多优点,以扭曲管为换热元件的扭曲管换热器作为一种新型的换热设备也逐渐体现其在石油化工行业中的优势。 本文以得到扭曲椭圆管换热器管内外强化传热机理以及管内外传热与压降特性计算通用准则关系式为目的,进行了扭曲椭圆管管内传热与流动的理论分析,对扭曲椭圆管换热器管内外传热与压降性能进行了试验测试以及数值计算,分析了换热器管程以及壳程传热与流动特点,主要研究内容和结论有以下几个方面: 1.借助张量分析、摄动法、Galerkin法等数学工具,得到了管内流体层流流动与传热过程中速度场与温度场等各阶摄动分量的分析解。对比分析了光滑椭圆管、光滑圆管以及不同长短轴比扭曲椭圆管管内传热与压降特性,对扭曲椭圆管以及光滑椭圆管横截面温度以及速度的各阶分量及其相互之间的影响进行了分析,得到了二次流对换热管横截面局部努赛尔数以及壁面剪切应力分布的影响。分析了几何参数对二次流分布以及二次流大小的影响,得到了扭曲椭圆管低雷诺数强化传热机理。 2.搭建了扭曲椭圆管管内传热与压降性能测试平台,并对测试系统可靠性进行了分析。利用测试平台,对长轴为2b=24mm、短轴2a=14.5mmm、扭距P分别为200mm以及230mm的扭曲椭圆管进行了试验测试,得到了两根扭曲椭圆管管内传热与压降性能计算准则关系式,分析了前人得到的准则关系式对本测试结果的可靠性,同时对比分析了光滑圆管以及不同几何参数扭曲椭圆管的传热与压降特性。 3.搭建了扭曲椭圆管换热器壳程传热与压降性能测试平台,并对测试平台可靠性进行了分析。利用测试平台,对FrM=79的扭曲椭圆管换热器壳程传热与压降性能进行了试验测试,分析了前人得到的准则关系式应用范围扩展后的可靠性,同时对比分析了折流杆换热器与扭曲椭圆管换热器的传热与压降性能,优化了现有换热器综合性能评价因子,7,并基于新的评价因子ηM对扭曲椭圆管换热器的综合性能进行了评价。 4.通过采用Realizable k-e模型及相关模型参数对扭曲椭圆管管内外传热与压降性能进行了数值计算,分析了几何参数对换热器管内外传热与压降性能的影响,同时以数值计算结果为基础,得到了扭曲椭圆换热器管内外温度场、速度场分布以及流线分布。同时分析了温度场、速度场、二次流对传热与流动的影响、几何参数对二次流大小和流体流动状态的影响等。借助场协同理论分析了换热器强化传热机理,拟合得到了扭曲椭圆管换热器管程以及壳程传热与压降特性计算通用型准则关系式。


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