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复合波纹板式换热器强化传热机理及传热特性研究

作　者: 张冠敏
导　师: 田茂诚
学　校: 山东大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 板式换热器复合波纹对流换热流动阻力
分类号: TK172
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

板式换热器作为一种传热性能优异的热能动力机械设备被广泛应用到有能量转换过程的许多领域，其应用范围的不断扩大要求对其进行更深入的研究。本文在对单相介质对流换热的物理机制进行分析研究的基础上，提出了一种新型网流型复合波纹板式换热器，对其换热特性和阻力特性进行了数值和实验研究。研究结果对板式换热器的优化设计以及热力和水力计算具有理论指导意义和实际应用价值。对固体壁面和单相流体之间对流换热的物理机制进行了分析，提出了垂直于传热壁面的流体速度分量是影响对流换热关键因素的观点，在此基础上提出增大流场中流速与壁面呈较大夹角的区域来强化对流换热的手段。单相流体和固体壁面之间的热量交换可以看作是壁面附近和主流区不同温度流体之间质量交换的结果，垂直于壁面方向的流体运动对促进这种交换起着主要作用；流速与壁面呈较大夹角的流动在垂直于壁面方向上的速度分量必然较大，因此增大流场中流速与壁面呈较大夹角的区域，可以强化壁面和流体之间的热量交换。参照相关文献公布的研究成果及通过数值模拟，本文提出了利用“非平行弯曲表面”形成流动通道来增大流场中流速与壁面夹角的技术思想。板式换热器的流体通道由“非平行弯曲表面”形成，所以相对其它型式的换热器有较好的传热性能。对传统斜波纹板式换热器内的流场进行了数值模拟，首次从波纹倾角变化会影响到流体动量沿波纹方向分量的角度，解释了斜波纹板式换热器内流体流动形态变化的原因和换热得到强化的物理机制。通过数值研究发现波纹几何参数对斜波纹板式换热器的性能有重要影响：随着波纹倾角β逐渐增大，斜波纹板式换热器的传热性能和阻力系数起初均随之增长，当倾角β达到60°附近时，换热效果和阻力系数均达到最高值；波距P变化对换热性能的影响不明显，但P的增大会减小流阻；波高H越高换热效果越好，但流动阻力也会以更大幅度上升；通过数值计算得到了斜波纹板式换热器换热准则方程，与Y.S.Kim通过实验研究得到的换热准则方程相比两者非常接近，证明用数值方法进行板式换热器性能研究的方法可靠。对复合波纹板片强化换热的机理进行了数值研究得到了复合波纹几何参数对其性能的影响规律：纵波倾角β对换热和阻力的影响趋势是一致的，倾角大时换热效

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
主要符号表  12-14
第一章绪论  14-29
  1.1 引言  14
  1.2 板式换热器的工作原理及特点  14-16
  1.3 板式换热器应用及研究进展  16-27
  1.4 板式换热器应用和研究中尚存的问题  27-28
  1.5 本文研究内容  28-29
第二章单项介质对流换热强化机理分析  29-40
  2.1 引言  29
  2.2 强化传热基本途径和方法  29-30
  2.3 单相介质对流换热机理分析  30-37
  2.4 强化单相介质对流换热的技术措施  37-39
  2.5 本章小结  39-40
第三章斜波纹板式换热器换热和流动特性数值研究  40-56
  3.1 引言  40
  3.2 数学模型  40-43
  3.3 斜波纹板式换热器内流体流动形态模拟分析  43-47
  3.4 斜波纹几何参数对换热和流动特性影响规律的数值研究  47-55
  3.5 本章小结  55-56
第四章复合波纹板式换热器换热和流动特性数值研究  56-75
  4.1 引言  56
  4.2 复合波纹板片的几何特征  56-58
  4.3 数学模型和物理模型  58-59
  4.4 复合波纹板片流体通道内流场和温度场分析  59-62
  4.5 复合波纹几何参数对换热和流动特性影响规律的数值研究  62-72
  4.6 复合波纹与人字形斜波纹板式换热器性能的数值研究结果比较  72-74
  4.7 本章小结  74-75
第五章复合波纹板式换热器水──水换热实验研究  75-101
  5.1 引言  75
  5.2 复合波纹板片加工方法  75-78
  5.3 测定板式换热器对流换热系数的等质量流量法  78-81
  5.4 水─水换热实验系统  81-83
  5.5 实验方法、步骤及可靠性验证  83-85
  5.6 实验数据处理方法  85-90
    5.6.1 换热特性数据处理方法  85-88
    5.6.2 阻力特性数据处理方法  88-90
  5.7 数据处理结果及分析  90-99
    5.7.1 复合波纹板式换热器内流体温度分布  90-91
    5.7.2 换热准则方程及对流换热系数  91-95
    5.7.3 换热性能和流通性能的匹配性分析  95-96
    5.7.4 阻力特性及准则方程  96-98
    5.7.5 复合波纹与人字形斜波纹板式换热器性能的实验研究结果比较  98-99
  5.8 本章小结  99-101
第六章复合波纹板式换热器汽─水换热实验研究  101-110
  6.1 引言  101
  6.2 汽─水换热实验系统  101-102
  6.3 实验方法及步骤  102-103
  6.4 汽─水换热特性数据处理方法  103-105
  6.5 汽─水换热时流体通道内温度分布及对传热的影响分析  105-107
  6.6 复合波纹板式换热器蒸汽凝结对流换热系数  107-108
  6.7 本章小结  108-110
第七章板式换热器整体结构优化设计  110-118
  7.1 引言  110
  7.2 板式换热器整体结构优化的意义和方法  110-111
  7.3 板式换热器传热─流动数学模型  111-114
  7.4 板式换热器整体结构优化设计的有关计算  114-116
  7.5 板式换热器整体结构优化程序算例  116-117
  7.6 本章小结  117-118
第八章全文总结及展望  118-121
  8.1 全文总结  118-120
  8.2 展望  120-121
参考文献  121-127
在读博士学位期间发表的论文及研究成果  127-128
致谢  128-129
学位论文评阅及答辩情况表  129

复合波纹板式换热器强化传热机理及传热特性研究

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