探索螺旋隔板单管换热器传热与流阻性能实验研究及数值模拟

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1、华南理工大学硕士学位论文螺旋隔板单管换热器传热与流阻性能实验研究及数值模拟姓名：徐涛申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：张正国20040601摘要捅要随着我国经济的快速发展，对能源的需求也日益增加。从目前来看，我国人均能源资源仅为世界平均水平的一半，而能源利用效率只有35％，远低于发达国家的52％，如何提高能源的利用效率以节约能源具有十分重要的现实意义。管壳式换热器广泛应用于石油化工、能源动力、制冷、机械、冶金、建筑等行业之中，它是一种重要的热能转换设备，其效率的高低，直接影响到热能的转换效率和利用水平。因此，改进和提高换热器的传热效率是节省投资、节约能源、提高生产能

2、力的重要途径。螺旋隔板换热器是近年发展起来的高效能管壳式换热器，流体动力学和传热学的实验研究表明，螺旋隔板换热器具有如下优点：(1)流体在壳程呈近似塞状流动：(2)流速均匀；(3)泄漏流及旁路流少；(4)不存在流动死区，因而它能有效地将壳程压降转化为传热系数的提高。本文以水一水换热为实验对象，研究了螺旋隔板单管换热器的传热与流阻性能。实验传热管共有六根，其中一根是外径为16．0mm的光滑管；其余五根是分别采用外径为16．0mm的光滑管加工成具有不同翅片高(1．0mm、1．2mm和1．5mm)和翅片距(0．8mm、1．0mm和1．2mm)的花瓣管。通过修正的威尔逊分离方法分别

3、得出了6种螺旋隔板单管换热器的管程传热系数，并结合总传热系数分别计算出了各自的壳程传热系数，同时还直接测量出各换热器的壳程压降。实验结果表明，在相同的Re值下，螺旋隔板花瓣管单管换热器的壳程传热准数Nu是螺旋隔板光滑管单管换热器的2～4倍，压降只是它的1．4～1．8倍，证明花瓣管具有十分优越的强化传热性能，其与螺旋隔板搭配构成的换热器具有良好的传热与压降性能。在实验范围内，花瓣管翅片高度的增加、翅间距的减少都有利于传热强化性能的提高。实验误差分析表明，壳程对流换热系数口．的实验误差小于7．27％，壳程压降AP的实验误差小于15．4％。本文还采用FLUENT6．0软件对整个螺

4、旋隔板光滑管单管换热器的流场、温度场和压力场进行了数值模拟，并与实验测量和计算结果进行了对比，发现很吻合，这验证了数值模拟的准确性。流场模拟结果显示，流体在壳程呈螺旋状流动，没有死区，而且流速比较均匀，变化比较小，从而进一步验证了许多学者经过实验研究分析得出的螺旋隔板换热器具有的优良性能。在此基础上，还对螺旋隔板花瓣管单管换热器的一段进行了数值模拟，主要是观察花瓣管周围的流场分布情况，发现流体主体流动趋势仍是螺旋状，但在翅片附近速度场的大小和方向变化较大，证明翅片的存在激发了流体的边界层分离和湍动，从而强化了传热。关键词：螺旋隔板换热器花瓣管传热强化数值模拟华南理工大学硕士

5、学位论文AbstractWiththefastdevelopmentoftheeconomyofourcountry，thedemandfortheenergyincreasesdaybydaytoo．Seenfromthepresent，thepercapitaenergyresourcesofourcountryisonlyhalfoftheaveragelevelintheworld，andenergyefficiencyisonly35％，andgreatlybelow52％ofdevelopedcountry，howtoimproveutilizationeffi

6、ciencyofenergytosaveenergyhasveryimportantrealisticmeaning．Shell—and—tubeheatexchangersarewidelyusedinpetrochemicalindustry，energypower，refrigeration，machinery，metallurgy，building，etc．，andtheyareonekindofveryimportantheatenergyconversionequipments，theirheattransferratesdirectlyinfluencecon

7、versionefficiencyandutilizationlevelofheatenergy．Itisoneofimportantwaystoincreasetheheattransfercoefficientofheatexchangerforinvestmentsaving，energyconservationandraisingproductioncapacity．Helicalbafflesheatexchangerisahighefficiencyshell--and-·tubeexchangerde