自支撑干式蒸发器传热与节能特性研究

【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。 【关键词】：螺旋扭曲扁管 强化传热 自支撑干式蒸发器
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ051.5
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 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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