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酒窝板强化换热的数值模拟

刘晓兵  
【摘要】: 板式换热器广泛应用于工业生产的各个领域,研究其性能以便设计出更新颖的高效换热器,是能源有效利用及开展节能减排的有效措施。 本文开发了一种全新的换热板片——酒窝板,并以平板和十五种不同结构尺寸的酒窝板为研究对象,利用Fluent商业软件对以水为介质的两种类型的换热设备在不同雷诺数条件下的换热及流动特性进行了三维数值模拟。根据研究对象的具体特点,针对不同流态分别采用层流、RNG k-ε湍流模型进行计算。 首先,模拟计算出了不同窝径、窝高、窝距组成的十五种结构形式的酒窝板换热器流道内流体的温度场、速度场和压降分布。通过数据分析,从中得到各酒窝板的壁面换热量、压力损失、阻力系数等。从而得出窝径、窝高、窝距对酒窝板换热及流动特性的影响,以及酒窝板换热和流动阻力达到最佳匹配时的最佳窝径、窝高、窝距,从理论上探讨了其强化传热机理。 其次,作为对比的基础,文中对相应条件下平板板式换热器的换热及流动特性进行了模拟计算,得出平板壁面换热量、壁面努塞尔数、进出口压差和阻力系数的变化曲线,并将酒窝板和平板的热力性能进行比较,证明了酒窝板强化换热的效果。 最后,将酒窝板和平板的数值模拟结果与实验数据进行比较分析,表明数值模拟结果与实验结果比较吻合,进一步验证了数值模拟的可靠性。另外,将最佳规格的酒窝板与波纹倾角为β=60°时的波纹板进行了热性能评价,得出结论:在考虑了泵功率消耗时酒窝板的热效率与波纹板的热效率很接近。但酒窝板在制造工艺上具有加工方便、不易变形、承压能力强等优点。所以综合评价,酒窝板的经济适用性高于波纹板。


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