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搭接螺旋折流板换热器传热与流动特性研究

杜婷婷  
【摘要】:换热器是一种广泛应用于工业生产过程的热能传递设备。目前,螺旋折流板换热器是换热器中的高技术产品,具有强化传热、降低流阻、减少积垢,减缓振动和延长寿命等优势,特别适合高黏度流体,已成为石油、化工、核能等行业的重要换热设备。由于欧美等国家的技术垄断,我国亟待加强对螺旋折流板换热器的技术研究和生产应用。本文以搭接螺旋折流板换热器为研究对象,运用理论分析、数值模拟和实验研究等方法分析了壳程传热与流动特性,主要研究工作及取得的成果如下:通过分析搭接螺旋折流板换热器壳程几何结构,推导了主要结构参数的通用计算方法。运用田口方法,分析了螺旋角、搭接量、布管方式、换热管直径和管间距对换热器综合性能的影响程度,得到了最优过程参数组合。通过分析发现,当壳体体积确定时,采用大流通空间,减小壳程流动阻力是提升搭接螺旋折流板换热器综合性能的关键,且壳程三角漏流区对综合性能具有显著影响。基于连续螺旋层流数学模型的理论研究,在柱坐标系下,对螺旋折流板换热器的壳程流场特征和受力特点进行了分析,揭示了三角漏流区是导致流体返混和流动短路的关键因素。采用流路分析法,分析了搭接螺旋折流板换热器壳程流动,在此基础上提出了一种符合壳程流动特征的流速计算新方法,经验证,该方法能更好地反映搭接螺旋折流板换热器壳程流动状态,对提升雷诺数Re的计算准确度和分析流型流态具有重要意义。搭建了气液两相流可视化实验平台,利用高速摄影技术,对搭接螺旋折流板换热器壳程流动进行了全方位多角度拍摄。根据拍摄图像,分析了局部气泡运动特征,证实了三角漏流区对换热器壳程螺旋流动和压降的影响。通过跟踪气泡运动轨迹,观察并分析了螺旋流流路、三角区漏流流路、最外侧换热管与壳体内壁间旁路流流路以及折流板与壳体内壁间隙漏流流路,验证了理论分析相关结论。通过分析灰度直方图、对比经典流型图以及观察压力波动曲线等方法,对搭接螺旋折流板换热器内气液两相流型流态进行了总结归纳和原因分析,绘制了壳程流型图,为研究换热器壳程流动提供了实验数据。通过数值模拟,进一步分析了不同螺旋角搭接螺旋折流板换热器壳程传热与流动特性。结果显示,随着螺旋角的增大,三角漏流区的面积随之增大,折流板背风面的流体返混量相应减少;壳程切向平均速度分量减小,轴向平均速度分量增大,螺旋流动特征减弱;表面传热系数和流动阻力下降,综合性能提升。基于理论分析、实验研究和数值模拟,利用壳程三角漏流区高流速、低流阻的特点,提出了一种新型椭圆管搭接螺旋折流板换热器。新型换热器将扇形折流板切割成近似环形,使流经三角漏流区的流体做纵向流动。用椭圆管代替纵流区的圆管,不仅增强换热,还起到引导流体的作用,实现减小压降和增强换热的双重效果。通过数值模拟,证明了新型换热器的综合性能优于传统搭接螺旋折流板换热器。为进一步优化壳程性能,分析了椭圆管长径比和布管倾角对换热器传热与流动的影响,得到了最优结构参数组合,较传统搭接螺旋折流板换热器而言,其JF因子提升14%以上,总熵产数降低25%以上。


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