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管壳式换热器壳侧沸腾换热模拟研究

程国鹏  
【摘要】:管壳式换热器由于结构相对简单、使用可靠性高、维护容易、对环境要求不高等特点,在核电站、石油化工、大型动力电站及制冷空调工程等众多领域被广泛使用。但传统无相变的换热过程效率相对较低,已经不能有效应对有限的能源储备和无休止使用间的矛盾,在能源愈发紧缺和价格不断飙升的现状下,怎样最大限度地提高管壳式换热器的换热效率、强化传热已成为摆在人们面前的重要课题。管壳式换热器壳侧沸腾传热是一种相变传热过程,往往较无相变过程的传热效率更高,因此沸腾传热成为了一种研究的趋势。但管壳式换热器壳侧沸腾换热研究并不多,且大多集中在单相流动研究,主要原因是不完全成熟的多相流理论和相对复杂的换热使得管壳式换热器模拟研究变得困难,特别是涉及到相变时,多相流仿真变得更加困难。但FLUENT软件由于其强大的计算处理能力使得对复杂相变流动的模拟变成可能,软件自带的网格制作软件GAMBIT可以绘制出高质量的网格,而FLUENT软件的求解器拥有多种湍流模型和两相流模型,这些特点使它完全可以用于管壳式换热器壳侧沸腾换热的模拟研究,并能够得到较为理想的结果。为了研究管壳式换热器壳侧沸腾换热流动传热特点,本论文将使用GAMBIT软件对管壳式换热器进行划分网格等前处理,然后通过采用标准k-ε湍流模型、混合物多相流模型,编写相应的沸腾换热自定义函数UDF,用FLUENT软件对其进行壳侧沸腾换热计算,得到两相流、速度和温度等分布图,结果证明壳侧流动在弓形板后面形成了“换热死区”,水蒸气产生主要集中于后部,并向上聚集,分析了对换热器性能、寿命等的影响并提出了相应的改善办法,为管壳式换热器的设计和使用提供理论参考,最后对传统管壳式换热器未来的改进发展进行了展望。


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