管壳式换热器的流路性能数值模拟研究

论文摘要

管壳式换热器是具有结构简单、牢固、操作弹性大、使用经验丰富、可靠性高等优点,是目前应用最广泛的一种换热器。其中弓形折流板换热器是应用最普遍的一种传统管壳式换热器,由于存在时间长,技术相对成熟和完善,加工制造装配容易,虽然存在某些局限性,但仍大量使用。管壳式换热器的热力-水力特性的研究对于换热器的设计计算、改造、提高换热效率、降低能源损耗、延长使用寿命等显得尤为重要。而采用数值模拟的方法对管壳式换热器进行流体流动与传热特性的研究的文献报道日渐增多,已经成为一种趋势,但仍存在着壳程流体划分的网格精度不高,数值模拟只局限于定性研究以及回避或简化掉某些重要流路的建模,从而忽略了这些通道的流动与传热对换热器的影响等问题,而解决这些问题,恰恰会导致网格模型复杂、计算成本高等新的问题,甚至导致问题难以求解。本文针对上述问题和基于预应力换热器要求完成比较精细的数值分析的研究目的,采用分段建模的模拟新技术来处理大模型和提高离散化精度,实现分段模型的精细化,最后综合处理的方法,并成功引入小间隙流路A和E,考虑各流路间隙对传热压降的影响,建立整体流路模型,对折流板换热器进行数值模拟,获得了更为准确和详细的数值模拟结果,为后续预应力换热器实施技术提供了坚实的基础和有力依据。同时分别进行了单一流路E和流路A在不同间隙下换热器性能的数值模拟,初步探讨了流路E和流路A对换热器流体流动与传热的影响特性,并推导出与间隙结构参数相关的定量无因次准数表达式。本文的研究结论是:对换热器整体流路下流体流动与传热特性进行分段建模和综合的数值模拟新方法是可靠的,所得结果与经验计算公式吻合良好。流路E和流路A对换热器性能的影响各有不同,换热器整体传热膜系数随着流路E间隙的增大而逐渐减小且趋于平缓;随着流路A间隙的增大却出现先增大后减小,存在一个间隙最佳值。流路E比流路A对换热器传热性能的影响要大得多。而打开E、A流路都降低壳程总压降,综合来看,流路A对提高换热器综合性能是有利的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 管壳式换热器概述
• 1.1.1 板式支撑结构换热器
• 1.1.2 杆式支撑结构换热器
• 1.1.3 其它支撑结构换热器
• 1.2 管壳式换热器设计计算概述
• 1.2.1 换热器热力计算发展概述
• 1.2.2 流路分析法简介
• 1.3 换热器数值模拟基础理论及模拟技术的发展
• 1.3.1 数值模拟的基础理论
• 1.3.2 换热器数值模拟国内外进展
• 1.3.3 计算流体力学（CFD）的发展
• 1.4 本课题研究的目的及意义
• 1.5 本课题主要研究内容
• 第二章 整体流路计算模型的建立
• 2.1 模型结构参数
• 2.2 整体流路计算模型的建立思路
• 2.2.1 整体流路的计算模型简化
• 2.2.2 计算模型的分段
• 2.3 几何模型的建立
• 2.4 网格的划分
• 2.4.1 导流筒段几何模型网格的划分思路
• 2.4.2 折流板段几何模型网格划分思路
• 2.4.3 网格的具体划分
• 2.4.4 网格的检查
• 2.5 边界条件的确定
• 2.6 Fluent中求解模型的参数设置
• 2.6.1 求解前的网格处理和长度单位设置
• 2.6.2 求解器的选择
• 2.6.3 能量方程的选择
• 2.6.4 计算模型的选择
• 2.6.5 流体、固体材料的选择
• 2.6.6 压力速度耦合算法的选择
• 2.6.7 压力插值格式的选择
• 2.6.8 对流项离散格式的选择
• 2.6.9 亚松弛因子的设定
• 2.6.10 收敛准则和监视器的设置
• 2.7 残差收敛图和监视图
• 2.8 小结
• 第三章 整体流路的数值模拟结果分析
• 3.1 模拟计算的场图及分析
• 3.2 获得模拟计算的流体传热与阻力准数关系式
• 3.2.1 正三角形布管的弓形折流板壳侧传热计算
• 3.2.2 获得模拟计算的流体传热准数关系式
• 3.2.3 获得模拟计算的流体阻力准数关系式
• 3.3 小结
• 第四章 仿真计算结果与经验公式的验证
• 4.1 弓形折流板管外壳程对流传热计算方法
• 4.1.1 科恩法（Kern）
• 4.1.2 多诺霍法（Donohue）
• 4.2 仿真模拟结果与经验理论、公式的对比
• 4.2.1 与Kern法对比验证
• 4.2.2 与Donohue法对比验证
• 4.3 小结
• 第五章 流路E对换热器性能的影响
• 5.1 场图及分析
• 5.2 各流速、各间隙下换热器数值仿真模拟结果
• 5.2.1 流速0.25m/s各间隙下流体流动与传热特性
• 5.2.2 流速0.35m/s各间隙下换热器传热膜系数与压降
• 5.2.3 流速0.5m/s各间隙下换热器传热膜系数与压降
• 5.3 获得模拟计算的准数表达式
• 5.3.1 Nu准数关系表达式的获得
• 5.3.2 fe阻力系数表达式的获得
• 5.4 小结
• 第六章 流路A对换热器性能的影响
• 6.1 场图及分析
• 6.2 各流速下、各间隙下换热器数值模拟结果
• 6.2.1 流速0.25m/s各间隙下流体流动与传热特性
• 6.2.2 流速0.35m/s各间隙下换热器传热膜系数与压降
• 6.2.3 流速0.5m/s各间隙下换热器传热膜系数与压降
• 6.3 获得模拟计算的准数关系式
• 6.3.1 Nu准数关系式的获得
• 6.3.2 fe阻力系数表达式的获得
• 6.4 流路A与流路E对换热器性能影响的异同
• 6.5 小结
• 结论及建议
• 结论
• 对今后工作的建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢