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中低温热管换热器的理论分析与实验研究

作　者: 王丹
导　师: 夏国栋
学　校: 北京工业大学
专　业: 热能工程
关键词: 热管换热器中温热管换热器数值模拟管内蒸汽温度
分类号: TK172
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着热管换热器的使用越来越广泛，普通热管换热器已经不能满足一些特殊场合的应用，中温热管换热器的出现解决了这个问题。但研究发现，采用常规设计方法设计的中温热管换热器，在实际运行中，常常出现前几排中温热管破裂，中低温过渡区的低温热管工作状态不佳等问题。要解决中温热管换热器这些问题，就要合理的预测热管换热器内冷、热流体侧的流场和温度场。本文首先结合现有的热管换热器的数值模拟方法，提出本文数值模拟方法，对热管换热器进行数值模拟研究。为了验证这种方法的正确性，设计和搭建热管换热器实验系统，分析冷、热流体的温度场分布，实验结果与模拟结果相对比。研究表明本文中提出的数值模拟方法是合理的。其次对中温热管换热器进行数值模拟研究。分析中温热管换热器内冷、热流体的流场和温度场以及热管的工作状态。研究表明，改变热流体的入口温度，当入口温度在683~703K时，热流体温度越高换热器中热管内蒸汽温度越高，热管的传热性能越好；但是当热流体入口温度过高时，前几排水热管的管内蒸汽温度高于热管的工作极限温度，会发生爆管现象。改变热流体入口速度，当入口速度在1.5~3.5m/s时，热流体入口速度越大，换热器中热管内蒸汽温度越低；过低的热流体入口速度，会导致前几排水热管的管内蒸汽温度超过热管的工作极限温度，也会发生爆管现象。由于管内蒸汽温度是不连续性的，而管外流体是连续变化的，中温热管换热器内中低温过渡区的热管容易发生爆管现象，文中针对热管爆管现象提出了相应的解决方案，为以后研究提供参考依据。最后为了找到中温热管换热器的最佳运行工况和最佳结构参数，文中对中温热管换热进行优化研究。分析中温热管换热器蒸发段流体不同入口速度和换热器内不同管间距对换热器效率、单位压降换热系数、管内蒸汽温度的影响。研究表明，当管间距为52mm，流体速度在2.5~3.0m/s时中温热管换热器的换热效果最佳。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
符号表  8-15
第1章绪论  15-27
  1.1 研究背景  15-17
  1.2 研究意义  17-18
  1.3 国内外研究现状  18-25
    1.3.1 热管换热器在余热回收应用中的研究现状  18-20
    1.3.2 热管换热器数值模拟的研究现状  20-22
    1.3.3 热管换热器优化的研究现状  22-24
    1.3.4 中温热管及热管换热器的研究现状  24-25
  1.4 本文的研究内容  25-26
  1.5 本章小结  26-27
第2章热管换热器的理论分析及数值模拟研究方法  27-39
  2.1 热管及两相闭式热虹吸管的工作原理  27-29
    2.1.1 热管的工作原理  27-28
    2.1.2 两相闭式热虹吸管的工作原理  28-29
  2.2 热管换热器的性能  29
    2.2.1 热管换热器与普通换热器的相似性  29
    2.2.2 热管换热器的传热特性  29
  2.3 热管换热器的设计方法  29-32
    2.3.1 热管换热器设计方法的研究现状  29-31
    2.3.2 本文热管换热器设计方法的选取  31-32
  2.4 热管换热器数值模拟研究的方法  32-38
    2.4.1 热管换热器数值模拟研究概述  32-37
    2.4.2 本文数值模拟研究方法的选取  37-38
  2.5 本章小结  38-39
第3章热管换热器实验系统的开发  39-61
  3.1 热管的设计  39-44
    3.1.1 热管的工作温度  39-40
    3.1.2 热管的工质  40-41
    3.1.3 热管的结构与尺寸  41-44
  3.2 热管换热器实验系统的搭建  44-59
    3.2.1 热管换热器的设计  44-52
    3.2.2 实验设备的选型  52-56
    3.2.3 实验系统  56-59
  3.3 本章小结  59-61
第4章低温热管换热器的数值模拟与实验研究  61-77
  4.1 低温热管换热器的数值模拟研究  61-70
    4.1.1 计算流体力学  61-62
    4.1.2 Fluent软件  62-65
    4.1.3 低温热管换热器的数值模拟研究  65-70
  4.2 低温热管换热器的实验研究  70-75
    4.2.1 实验方法  70-71
    4.2.2 实验内容与步骤  71
    4.2.3 实验结果分析  71-75
  4.3 本章小结  75-77
第5章中温热管换热器的数值模拟研究  77-89
  5.1 中温热管换热器的设计  77
  5.2 中温热管换热器的数值模拟研究  77-80
    5.2.1 物理模型  77-78
    5.2.2 控制方程  78-79
    5.2.3 计算及边界条件  79
    5.2.4 网格无关性检验  79
    5.2.5 热管热流密度的确定  79-80
  5.3 数值模拟结果及分析  80-86
    5.3.1 流动特性分析  80-81
    5.3.2 传热特性分析  81-86
  5.4 本章小结  86-89
第6章中温热管换热器的优化研究  89-99
  6.1 优化理论与发展  89
  6.2 热管换热器的优化方法  89-91
    6.2.1 热管换热器的优化设计  90-91
    6.2.2 热管换热器结构参数和运行参数的优化  91
  6.3 评价热管换热器热力性能的主要技术指标  91-93
    6.3.1 一般主要指标  91-92
    6.3.2 热管换热器无因次量  92-93
  6.4 中温热管换热器的优化研究  93-97
    6.4.1 优化目的  93
    6.4.2 优化参数及方法  93-94
    6.4.3 结果分析  94-97
  6.5 本章小结  97-99
结论  99-101
参考文献  101-107
攻读硕士期间所发表的学术论文  107-109
致谢  109

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