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管壳式换热器传热对比研究与数值模拟

罗再祥  
【摘要】: 换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空及其它许多工业部门广泛使用的一种通用工艺设备。由于能源价格飙升,对换热器的强化传热研究一直备受关注。管壳式换热器由于结构可靠、技术成熟、适用面广,是目前国内外换热设备的主要结构形式。管壳式换热器多采用单弓形折流板,和圆管管束结构,该换热器制造相对简单、适应性强、处理量大,但壳侧流动阻力大,实际传热效果远低于理论值。 为了提高整个换热器的综合传热性能,本文将低流阻、高传热效率的壳程传热支撑结构与高效强化传热管相结合,从实验和数值模拟两方面对传热过程进行了研究,研究的主要内容如下: ⑴表面强化传热通常已被用于工艺过程并改善传热设备的整体性能。本文研究了圆管换热器、波节管换热器和螺旋波纹管换热器的传热性能并做了对比。实验结果表明了在雷诺数从5000到30000的范围内波节管对换热器的对流强化传热非常有效。与圆管相比,波节管管内换热系数提高了167.8%,螺旋波纹管提高了60.2%。 ⑵在研究换热器壳程结构的基础上,研究发现折流杆换热器比折流板换热器具有更低的压力损失和更高的传热系数。同时折流杆换热器还具有好的抗震性能、防结垢等优点。折流栅作支撑元件时壳程压力降要比采用折流板的换热器小20%~60%,传热系数反而可提高18%~55%。 ⑶折流杆和折流板的间距对换热器的总传热系数有重要的影响。通过对比支撑元件间距为14.2cm、19.4cm、24.2cm的换热器,发现间距越小对传热越有利。 ⑷运用VC++编程曲线拟合实验数据,得到不同壳程结构和换热管的传热关联式。 ⑸采用FLUENT软件,分别利用单元模型和三维实体模型,对温度场及速度场进行了数值模拟,通过对模拟结果和实验数据的对比分析,验证了数值模拟结果和实验数据的正确性和可靠性。


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