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高温瓦楞状陶瓷基换热器的实验及数值模拟

何文祥  
【摘要】:炼油、化工、陶瓷、冶金等产业是我国国民经济的支柱产业,也是高能耗产业,这些高能耗工业在生产过程中会产生大量的高温烟气,温度高达800-1600℃,将这些烟气直接进行排放不仅会污染环境,而且会造成能源的极大浪费。对高温烟气热进行回收成为现代工业发展过程中必须解决的问题,具有重要的意义。目前的高温换热器烟气热回收装置材料主要有金属材料和硅酸盐材料,金属材质虽然导热性好、易加工成型,但在抗腐蚀、结垢、热应力等方面存在性能不足,大都应用于中低温段热能回收;硅酸盐材料虽然耐热、耐腐蚀性好,但换热器的形态和结构受材料的限制,存在导热系数低、换热性能较差、体积庞大、使用寿命低等缺点。 本文在分析以上两类换热器优缺点的基础上,研制出高导热无机材料高温瓦楞状陶瓷基换热器。通过实验和数值模拟的方法对不同热、冷风流量、热风进口温度条件下换热器传热性能和压降的计算和分析,探讨该类型换热器传热和流动过程的机理和规律,为换热器的设计和工程应用提供参考。研究结果表明: 1、实验所制换热器能耐受600℃以上的高温,且有较大的比表面积(β=951m~2/m~3),能有效扩大换热面积; 2、在相同热侧空气进口温度下,Re从40增大到130时,瓦楞状翅片换热器流道内的努塞尔特数从3增加到5,压降从80增加到320Pa。 3、在相同雷诺数下,热侧空气的努塞尔特数和压降均随热空气进口温度的增加而增加;在相同压降下,热侧空气的努塞尔特数随热侧空气的进口温度的增加而增加。 4、用层流模型研究了瓦楞状翅片换热器流道内的传热和流动,在80≤Re≤130的范围内,实验换热因子j值小于模拟值,最大误差不超过13.3%;摩擦因子f的实验值较模拟值大,最大误差不超过16.9%。误差在可接受范围,表明计算模型可靠。


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