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振荡流热管换热器换热性能及其在干燥系统中的应用研究

柴本银  
【摘要】:振荡流热管(OHP)是一种新型高效的传热元件。这种热管具有优良的传热性能,且结构简单,管径细,能随意弯曲,可以采用不同的加热方式和加热位置,比传统重力热管有明显的优势。振荡流热管换热器作为一种新型的换热装置,适合用于以干燥系统尾气为代表的低温含湿废气余热的回收,在化工、石化、电力、冶金等重点耗能行业行业中有广阔的推广前景。 国内外对振荡流热管换热器研究还处于初步阶段,未能实现其在重点耗能行业的应用。本文基于传热学理论,采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,主要研究振荡流热管换热器的换热性能及其强化换热途径,为该换热装置推广提供设计方法。 对振荡流热管换热器的设计方法进行了研究。研究对象是由回路型热管元件组成的振荡流热管换热器。以传统重力热管换热器的设计计算为基础,结合振荡流热管换热器不同用于常规间壁式换热器的特点,通过分析研究出了适用于振荡流热管换热器的换热系数及换热温差的计算式和设计计算方法。换热器的性能评价标准较多,从余热回收的角度出发,以热回收率作为振荡流换热器单一评价标准,较为简便直观。 通过实验方法,对振荡流热管换热器换热性能进行测定。分别在热端通入干热空气和有蒸汽加入的混合气体来研究振荡流热管换热器的换热情况,研究不同流动方式和不同热管加热位置对换热换热量的影响,以及热流体温度、流量和湿度对热回收率的影响,并研究了含湿气体换热系数随含湿量的变化的关系式。结果表明,振荡流热管换热逆流换热比顺流换热换热性能好。底部加热的振荡流热管换热效率高于顶部加热。对于含湿热气流,随着热气流进口的温度的升高或湿度的减小,当出口温度远高于露点,振荡流热管换热器的热回收率而缓速增大;当出口温度低于或接近露点,热回收效率显著降低。基于实验数据,推导出可用于存在空气和蒸汽混合流体的对流换热系数计算方法,该方法对于振荡流热管换热器的设计具有很大的实用价值。 应用场协同理论指导振荡流热管换热器的设计。基于场协同理论分析振荡流热管换热器管排方式、结构参数与运行参数对换热性能的影响。流体在振荡流热管换热器中的流动与气流横向冲刷管束相类似,为整体分析被研究区域温度场和速度场的协同程度,可通过场内流体各点的局部速度矢量及相应温度梯度夹角之和的平均值βm来分析。当冷热端进口截面相等,且忽略热物性的差别,冷热端各自风速与换热面积的乘积彼此相等时,振荡流热管换热器冷热温差场的均匀性最好,换热器性能最优,这实质上反映了冷热流体换热当量的协同性。 对振荡流热管换热器分别建立二维和三维模型进行数值模拟。研究了管束排列方式和排列密度对流体与管束间对流换热的影响,以及热流体进口温度和冷热流体流速的变化对振荡流热管换热器换热性能的影响,同时对冷热端风速与换热面积乘积彼此相等的匹配关系进行了数值模拟验证。结论是,管束叉排排列优于顺排排列方式,叉排时速度场和温度场的平均β角要小于顺排,Nu数大于顺排。对于不同管束排列密度,无论顺排还是叉排,顺风间距P,对Nu影响均明显大于迎风间距Pt,合理选择顺风间距Pl,是获得较高场协同度的关键。可以通过改变速度与换热面积的匹配来提高温差场的均匀性,当uhAh=ucAc时,即热端换热面积和流速之积与冷端换热面积和流速之积相等时,换热器的温差场均匀性最好。冷热流体进口温度对温差场均匀性影响不大。热风流速越小,热回收率越高。 设计出用于木材和精制盐干燥余热回收的振荡流热管换热器。实验测试表明,对于木材干燥余热回收系统,振荡流热管换热器是理想的换热装置,采用uhAh=ucAc设计方法及叉排方式设计的振荡流热管换热器性能优于其他结构的换热器。对于精制盐干燥余热回收系统,同样实验条件下,振荡流热管换热器的换热性能明显好于传统重力热管换热器,且设备体积小,易维护,值得大力推广。


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