变空间顺紊流换热器节能特性及工程应用研究

【摘要】：当前，能源利用形势越来越严峻，节能减排技术得到大家的广泛关注，换热器作为实现能源转换的关键设备，广泛应用于化工、动力、制冷、机械等众多工业领域，采用强化传热技术开发出新型高效的换热设备具有重要的现实意义，变空间顺紊流换热器正是在传统折流板换热器基础上提出的一种新型高效换热设备，换热元件采用新型强化管 螺旋三叶管。本文采用数值模拟与试验研究相结合的方法对变空间顺紊流换热器管壳程的传热与流阻特性展开了研究，研究工作主要包括以下几部分： 1)搭建单管测试平台，以水为介质，雷诺数Re在10000~35000范围内，对横截面相同，扭程P分别为40mm和60mm的螺旋三叶管管内传热与流阻性能进行了试验测试，并与光滑直圆管进行了对比，结果表明螺旋三叶管可以有效强化管内传热，但流阻也相应提高，相同雷诺数Re下，扭程P=60mm的螺旋三叶管综合换热性能更佳。 2)应用FLUENT软件对七种不同结构参数的螺旋三叶管管内传热与流阻特性进行了数值研究，分析了不同结构参数对螺旋三叶管管内强化传热性能的影响，同时获得了管内温度场和速度场分布情况，对螺旋三叶管管内强化传热机理分析表明，由于管内二次流的出现改变了温度场和速度场的分布，实现了强化传热。 3)对变空间螺旋三叶管换热器壳程结构进行了全新设计，管束呈现自粘接网格状一体化结构，管束在竖直方向上实现空间内点接触，而横向间距可变，壳程空间大小可调。在壳程水流速0.5~3.5m/s范围内，对不同管束结构的螺旋三叶管换热器进行了数值研究，结果表明相同壳程流速下，管束横向间距L越小，壳程换热越强烈，压降也相应更高。流场分析显示壳程空间越紧凑的换热器，温度场和速度场分布更均匀，二次流强度也更大。根据模拟结果，进一步拟合得到了相应的传热与压降计算关联式。 4)采用变空间螺旋三叶管换热器对汽车空调用回热器进行了改造，对改造前后回热器的性能进行了测试分析，结果表明，采用螺旋三叶管的回热器传热能力提高72.5%，节省铜材35.4%，经济效益显著。 【关键词】：变空间 顺紊流 回热器 螺旋三叶管 强化传热
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ051.5
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 物理量名称及符号表8-13
• 第一章 绪论13-28
• 1.1 研究背景与意义13
• 1.2 强化传热技术的发展13-16
• 1.2.1 强化传热技术的分类14
• 1.2.2 单相强制对流强化传热机理14-15
• 1.2.3 强化传热综合评价因子15-16
• 1.3 换热器的强化传热16-26
• 1.3.1 强化传热管研究现状16-20
• 1.3.1.1 螺旋槽管16-17
• 1.3.1.2 横纹管17-18
• 1.3.1.3 内插物18-19
• 1.3.1.4 扭曲椭圆管19-20
• 1.3.2 壳程强化传热研究现状20-26
• 1.3.2.1 折流杆换热器21-22
• 1.3.2.2 螺旋折流板换热器22-23
• 1.3.2.3 空心环换热器23-24
• 1.3.2.4 整圆形孔板换热器24-25
• 1.3.2.5 自支撑换热器25-26
• 1.4 课题来源及主要研究内容26-27
• 1.4.1 课题来源26
• 1.4.2 主要研究内容26-27
• 1.4.3 创新之处27
• 1.5 本章小结27-28
• 第二章 螺旋三叶管管内强化传热试验研究28-39
• 2.1 前言28
• 2.2 试验用管28-29
• 2.3 试验装置29-30
• 2.4 数据采集系统及仪器30
• 2.5 试验步骤30-31
• 2.6 数据处理及误差分析31-35
• 2.6.1 数据处理31-33
• 2.6.2 误差分析33-35
• 2.7 试验系统可靠性验证35-36
• 2.8 试验结果与分析36-38
• 2.8.1 结果讨论36-38
• 2.8.2 关联式拟合38
• 2.9 本章小结38-39
• 第三章 螺旋三叶管管内湍流强化传热数值研究39-62
• 3.1 前言39
• 3.2 计算流体动力学简介39-41
• 3.2.1 FLUENT 软件39-40
• 3.2.2 k -ε湍流模型及近壁区处理40-41
• 3.3 控制方程41-42
• 3.4 物理模型与网格划分42-44
• 3.5 边界条件及物性44-45
• 3.6 模型可靠性验证45-47
• 3.6.1 网格无关性测试45-46
• 3.6.2 湍流模型可靠性验证46-47
• 3.7 几何参数对螺旋三叶管管内换热性能的影响47-60
• 3.7.1 扭程 P 对螺旋三叶管管内换热性能的影响47-53
• 3.7.2 衔接圆弧直径 d 对螺旋三叶管管内换热性能的影响53-56
• 3.7.3 内接圆直径 D 对螺旋三叶管管内换热性能的影响56-60
• 3.8 本章小结60-62
• 第四章 变空间螺旋三叶管换热器壳程性能数值研究62-72
• 4.1 前言62
• 4.2 螺旋三叶管换热器壳程结构设计62-63
• 4.3 计算模型与网格划分63-67
• 4.3.1 边界条件及物性65
• 4.3.2 网格无关性测试65-67
• 4.4 结果与分析67-68
• 4.5 流场分析68-71
• 4.6 关联式拟合71
• 4.7 本章小结71-72
• 第五章 汽车空调用回热器节能优化设计72-80
• 5.1 前言72
• 5.2 改造项目简介72-73
• 5.3 改造前回热器73-74
• 5.4 改造后回热器74-76
• 5.5 改造前后回热器单体性能测试76-79
• 5.5.1 试验装置76-77
• 5.5.2 测试结果与分析77-79
• 5.6 本章小结79-80
• 结论与展望80-82
• 结论80-81
• 展望81-82
• 参考文献82-89
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果89-90
• 致谢90-91
• 附件91

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