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夹套式热管换热器多场数值模拟与优化研究

张岭  
【摘要】: 换热器是工业领域内的关键设备,针对传统换热器普遍存在低温露点腐蚀的问题,以夹套式热管作为传热元件的热管换热器作为一种新型换热器,凭借传热效率高、压力损失小、防止震动、结构紧凑的优势,得到了迅速发展。 本文针对夹套式热管及其换热器,以计算流体力学软件FLUENT6.3为平台,以实验测试数据为边界条件,对热管元件进行数值计算。并选用k-ε双方程模型对夹套式热管换热器进行数值模拟和结构优化研究。 本文的主要研究工作及结论如下: 1)通过热管实验,得出不同充液率下,热管内部工质和管外壁的温度分布,对数据进行多项式回归,计算出等效导热系数和充液率的关系式。利用能量守恒原理,算出热管总换热量,得到了热管工质蒸汽蒸发速度和工质对流换热系数的实验关联式。 2)利用仿真软件FLUENT,得出了5种不同充液率、3种不同加热功率下,热管内部工质的温度分布。结果显示:离热管顶部最近的地方温度最高,在热管顶部蒸汽出现回流现象;热管内部工质的速度最低的地方出现在热管上部靠近冷却水管的地方,此处的冷凝速率达到最大值;数值模拟与实验数据相对误差小于5%。 3)热管管壁温度模拟结果显示,管壁温度由底部到热管顶部逐步上升。对于充液率40%的热管,上升幅度越来越小;充液率为50%的热管,当横向坐标在7.5mm~22.5mm区间内时,温度接近于线性上升,之后上升幅度变小。 4)选用SIMPLE算法,对热管换热器壳程内部场进行了模拟计算,分析了不同流量时,速度、温度、局部对流换热系数沿壳程的变化规律:管排周围温度等值线比较密集,温度梯度较大,而在每组管束中间区域及管束与壳壁之间的区域,温度分布均匀,温度梯度较小;随着流量的增大,速度增大,湍动程度加剧,从而换热系数也随之增大。但热管换热器的换热温差会降低;烟气流经管束时,在管束尾部形成一个楔形的涡流区,速度在流体出现脱体的地方达到最大。湍流强度在中心区域最大,中心区域的换热强度明显高于边缘处。 5)研究分析了热管换热器的结构参数变化对换热器的换热及阻力的影响,得出了换热器结构参数优化结果:横向管距114mm-120mm之间;纵向管距120-125mm;翅片高度不应高于26.5mm;翅片间距6mm。


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