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自支撑干式蒸发器传热与节能特性研究

作　者: 刘庆亮
导　师: 朱冬生
学　校: 华南理工大学
专　业: 化学工程
关键词: 螺旋扭曲扁管强化传热自支撑干式蒸发器
分类号: TQ051.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

换热设备广泛应用于化工、能源、机械、交通、冶金、动力及航空航天等工业领域中,尤其是在制冷行业中,换热设备更是举足轻重的关键设备,对制冷系统的性能有重要影响。自支撑干式蒸发器作为一种换热效率高、结构紧凑的新型换热设备,传热管采用螺旋扭曲扁管以强化管内传热,壳程不设折流板以降低壳程流阻。因此,对自支撑干式蒸发器进行深入研究对于提高制冷系统的性能以及节约能源有重要意义。本文在广泛阅读文献的基础上,采用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的研究方法对自支撑干式蒸发器的传热与流阻性能进行了系统研究;同时,本文对自支撑干式蒸发器的设计过程进行了分析,并编写了自支撑干式蒸发器的设计程序。本文的主要研究内容包括:(1)使用计算流体动力学模拟软件FLUENT对自支撑干式蒸发器的管程与壳程的传热与流阻性能分别进行了数值模拟研究。建立直圆管、椭圆管以及螺旋扭曲扁管的物理模型,以对比分析自支撑干式蒸发器的管程性能;研究结果表明,与直圆管与椭圆管相比,螺旋扭曲扁管由于其周期性旋转的特殊结构特征,使得其管内流体的湍流程度得以提高,管内传热得以强化;管程流体的质量流量q_m越大、Pr数越大、螺旋扭曲扁管的扭曲程度越大、截面压扁程度越高,螺旋扭曲扁管管内的传热系数就越大,但是同时管内的阻力损失也会不断增大。建立自支撑干式蒸发器和直圆管干式蒸发器的壳程物理模型,以对比分析自支撑干式蒸发器的壳程性能;研究结果表明,由于自支撑干式蒸发器壳程特殊的自支撑结构,使壳程的传热性能也大大提高了;壳程流体的Re数越大、Pr数越大、螺旋扭曲扁管的扭程越小、截面压扁程度越高,自支撑干式蒸发器壳程的传热性能就越好,但是同样会引起壳程压降的升高。(2)建立传热管单管实验平台以及自支撑干式蒸发器壳程测试系统,测试其传热与流阻性能。研究结果表明,螺旋扭曲扁管对于管内流体有很好的强化传热作用,虽然管程流阻也有所增大,但其综合性能仍然优于直圆管,特别是在Re数较低时,其优势非常明显;同时研究了在不同Re数下壳程的传热与流阻性能。对实验数据进行多元回归分析,分别得到了反映自支撑干式蒸发器管程与壳程的传热与流阻性能的准则关系式。(3)本文在实验得到的传热与流阻准则关系式以及前人设计经验的基础上,结合自支撑干式蒸发器自身的结构特点,对自支撑干式蒸发器的设计过程进行了研究,编写了自支撑干式蒸发器的设计步骤,并采用Visual Basic语言开发了自支撑干式蒸发器的设计程序。本文对自支撑干式蒸发器的管程与壳程性能进行了理论分析、数值模拟与实验研究,并开发了自支撑干式蒸发器设计程序,丰富了自支撑干式蒸发器的研究方法和理论研究体系,为进一步研究自支撑干式蒸发器或对自支撑干式蒸发器进行设计优化提供了重要参考。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
物理量名称及符号表  9-14
第一章绪论  14-29
  1.1 课题提出的背景及意义  14-15
  1.2 管壳式换热器的研究进展  15-22
    1.2.1 管壳式换热器管程强化传热研究进展  17-19
    1.2.2 管壳式换热器壳程强化传热研究进展  19-22
  1.3 螺旋扭曲扁管换热器的研究进展  22-24
    1.3.1 螺旋扭曲扁管国外研究进展  22-23
    1.3.2 螺旋扭曲扁管换热器国内研究进展  23-24
  1.4 自支撑干式蒸发器  24-26
    1.4.1 干式蒸发器介绍  24-26
    1.4.2 自支撑干式蒸发器介绍  26
  1.5 课题来源与主要研究内容  26-28
    1.5.1 课题来源  26-27
    1.5.2 主要研究内容  27
    1.5.3 创新之处  27-28
  1.6 本章小结  28-29
第二章自支撑干式蒸发器综合性能理论分析  29-36
  2.1 前言  29-31
  2.2 自支撑干式蒸发器的综合性能分析  31-34
    2.2.1 自支撑干式蒸发器管程的综合性能分析  31-32
    2.2.2 自支撑干式蒸发器壳程的综合性能分析  32-34
  2.3 自支撑干式蒸发器强化传热的评价准则  34-35
  2.4 本章小结  35-36
第三章自支撑干式蒸发器数值模拟研究  36-62
  3.1 前言  36
  3.2 常用计算流体动力学软件介绍  36-38
  3.3 数学模型的选择  38-40
  3.4 蒸发模型的UDF 程序编写  40
  3.5 数值模拟正确性验证  40-42
    3.5.1 数值模拟方法计算  40-41
    3.5.2 经验公式方法计算  41-42
  3.6 自支撑干式蒸发器管内强化传热数值模拟研究  42-53
    3.6.1 物理模型的建立及网格划分  42-44
    3.6.2 模拟计算结果初步分析  44-46
    3.6.3 流动状态及流体物性对自支撑干式蒸发器管程性能的影响  46-49
    3.6.4 螺旋扭曲扁管几何参数对自支撑干式蒸发器管程性能的影响  49-53
  3.7 自支撑干式蒸发器壳程传热与流阻性能数值模拟研究  53-61
    3.7.1 物理模型的建立及网格划分  53-55
    3.7.2 模拟计算结果初步分析  55-57
    3.7.3 流动状态及流体物性对自支撑干式蒸发器壳程性能的影响  57-59
    3.7.4 螺旋扭曲扁管几何参数对自支撑干式蒸发器壳程性能的影响  59-61
  3.8 小结  61-62
第四章自支撑干式蒸发器实验研究  62-79
  4.1 前言  62
  4.2 实验方案  62-64
    4.2.1 传热管单管性能测试实验方案  62-63
    4.2.2 自支撑干式蒸发器壳程性能测试实验方案  63-64
  4.3 实验辅助设备  64-65
  4.4 实验步骤  65-67
    4.4.1 传热管单管性能测试实验步骤  66-67
    4.4.2 自支撑干式蒸发器壳程性能测试实验步骤  67
  4.5 实验数据处理  67-70
  4.6 误差分析  70-73
    4.6.1 传热管单管性能测试误差分析  70-72
    4.6.2 自支撑干式蒸发器壳程性能测试误差分析  72-73
  4.7 实验结果分析  73-78
    4.7.1 传热管单管性能测试实验结果分析  73-76
    4.7.2 自支撑干式蒸发器壳程性能测试实验结果分析  76-78
  4.8 准则关系回归  78
  4.9 小结  78-79
第五章自支撑干式蒸发器设计计算与设计程序开发  79-92
  5.1 前言  79-80
  5.2 自支撑干式蒸发器壳径与传热管数目之间的对应关系  80-81
  5.3 自支撑干式蒸发器设计流程图  81-82
  5.4 自支撑干式蒸发器的设计步骤  82-87
  5.5 自支撑干式蒸发器设计程序开发  87-89
  5.6 自支撑干式蒸发器设计程序应用实例  89-91
  5.7 本章小结  91-92
结论与展望  92-95
  结论  92-93
  展望  93-95
参考文献  95-100
附录一蒸发模型UDF 程序  100-103
附录二自支撑干式蒸发器设计程序  103-107
攻读硕士学位期间取得的研究成果  107-108
致谢  108-109
附件  109

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