异径管绕管式换热器壳程冷凝传热研究

作     者：王蕾 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴金星

授予年度：2020年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：绕管式换热器 异径管 冷凝换热 两相传热 数值模拟 

摘      要：针对绕管式换热器壳程结构复杂、相变传热研究难度大、性能有待提高等问题,本文开展了异径管绕管式换热器壳程结构参数优化与壳程冷凝换热的研究,主要的研究内容及结论如下:(1)开发了新型单股流与双股流异径管绕管式换热器,其特点是大径绕管和小径绕管交叉缠绕于同一层内,层与层之间的大径绕管相互支撑,小径绕管与大径绕管中间留出较大的空隙。新结构的主要优点是增大了换热管层与层之间的径向间距,解决同一层绕管排列过于紧密的问题,有利于增强壳程扰流和传热性能,以及降低壳程压降。(2)将异径管与等径管两种绕管式换热器进行模拟对比,结果表明:异径管绕管式换热器中单根管的迎流面和背流面区域减小,壳程流体速度分布更加均匀,对流换热系数提高7.826%,壳程压降降低30%,综合性能优于等径管绕管式换热器。用数值模拟方法分析了管径比a和轴向管中心距Z对异径管绕管式换热器壳程传热与压降性能的影响,结果表明,在研究范围内,当a=1.250和Z=3mm时,异径管绕管式换热器的综合性能最优。(3)在软件中引入了冷凝传热的自定义函数(UDF),模拟分析了异径管绕管式换热器壳程冷凝工况下流动及传热状况。结果表明,随着壳程不同截面的轴向角度增大,湍流的发展逐渐均匀,冷凝现象液越来越明显,换热管层与层之间流体显著交换热量提高扰流效果,内外侧湍流发展较慢。随着壳程入口速度的增加,壳程冷凝换热系数提高。(4)根据等径管绕管式换热器设计方法,提出了异径管绕管式换热器在单相和冷凝工况下的工艺计算方法和结构设计方法。通过模拟数据,拟合得到了单相和冷凝工况下异径管绕管式换热器的壳程对流换热系数计算式,为异径管绕管式换热器的工艺计算奠定了理论基础。