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板式换热器传热传质实验与理论研究

李冠球  
【摘要】:板式换热器作为一种高效、节能、紧凑的换热设备,目前广泛地应用于工业中,但当前缺乏关于板式换热器传质的综合研究。进行板式换热器污垢形成机制的实验与理论研究具有重要的科学和工程现实价值。本文对板式换热器传热传质基本特性进行了理论与实验研究,关注了不同几何参数、流动参数以及不同污垢类型对板式换热器传热传质特性的影响,为板式换热器实际应用与设计提供理论依据。本文的主要工作包括: 首先对于板式换热器传热特性、阻力特性以及传质特性进行了总结,整理并分析了板式换热器传热、流动比较常见的经验公式,以及本文中所研究的三大类污垢(析晶污垢、颗粒污垢以及上面两种混合的混合污垢)的基本形成机理以及常用的理论预测模型。 以Kern-Seaton的质量平衡模型出发,选择类比法作为求解湍流传热传质问题的基本方法,分别系统的介绍了当前最为常见的四种类比法,包括雷诺类比、普朗特-泰勒类比、冯-卡门类比以及j因子类比,以及这四种类比法的适用范围。分别利用三种类比法(包括普朗特-泰勒类比、冯-卡门类比以及j因子类比)建立了半理论化污垢预测模型,并通过一组内螺纹管污垢实验数据对污垢模型进行了完善,经比较后发现基于冯-卡门类比建立的污垢数学模型具有最良好的预测精度以及最广泛的适用范围,其三层模型更加符合实际的湍流流动情况。综合分析后选择冯-卡门类比作为污垢预测模型的主要理论依据。 在实验研究方面,利用山东大学已有实验设备完善了板式换热器传热传质实验台,完成了四台不同几何设计的板式换热器冷态实验,并通过修正威尔逊图解法和等雷诺数法完成了四台板式换热器传热特性的测试,得到其传热、流动特性的关联式。对板式换热器传质特性的研究,本文完成了三组不同的污垢实验,其中污垢的类型包括析晶污垢、颗粒污垢以及混合污垢。着重研究了不同几何参数(板式换热器波纹高度、波纹间距、波纹角度、面积扩展系数等)、流动参数(不洁净流体的温度、流量)以及水质参数(不洁净流体中的硬度与颗粒污垢浓度)对污垢形成的影响。另外还完成了一组带有抗垢涂层板片的抗垢对比实验,在9组对比实验中,特氟龙抗垢涂层显示出了良好的抗垢性,与普通304不锈钢的板片相比,带有特氟龙涂层的板式换热器的渐近污垢热阻最大具有36.8%的降幅,而抗垢涂层对析晶污垢的抑制效果要明显好于颗粒污垢。 对于板式换热器污垢特性的理论分析,本文以冯-卡门类比为基础,结合板式换热器不同污垢条件下的实验数据,完善了板式换热器内析晶污垢、颗粒污垢以及混合污垢的污垢数学模型。本文中污垢预测关联式具有较好的精度,具体的偏差均在±20%以下,其中对颗粒污垢的预测结果最为突出,预测偏差在±6%左右。另外,本文对三大类污垢的形成机理进行了讨论,并对板式换热器不同污垢的微观结构进行了探讨,以高倍率扫描电镜的分析测试手段,研究了污垢的具体形貌,从这一角度来对板式换热器污垢形成的机理进行了讨论。


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