新型复合人字形板式换热器传热与流动理论分析及实验研究

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目前中国正面临着环境污染、能源紧张和节能减排的多重压力,能源供应成为制约我国经济发展的瓶颈。因此如何有效的利用能源和节约能源成为保证国民经济不断向前发展的重要因素。板式换热器作为一种传热性能优越的热动力元件,广泛的应用于石油、化工、动力、制冷和食品加工等行业,因此研究强化传热技术、开发新型的、紧凑的、高效的板式换热器,提高板式换热器的换热性能,减少换热过程中的能量损失,具有十分重要的意义。本文提出了一种新型复合人字形板式换热器,采用理论分析、数值模拟及实验研究相结合的方式对其换热特性和阻力特性展开了研究。首先,依据一定假设对板式换热器进行简化,建立了完整流道的板式换热器模型,在考虑介质流体物性变化和流体与固体耦合换热的基础上,使用RNG k-ε湍流模型、换热面网格加密技术、边界层网格技术及GGI(general grid interface)网格链接技术,模拟分析了1-1程三流道板式换热器模型。通过对数值模拟结果的分析,得到了包括:大小波纹比例、波高、波纹密度及波纹倾斜角度在内几个重要几何参数对复合人字形板式换热器流动与传热特性的影响规律;同时讨论分析了复合人字形板式换热器流道内介质流动形态、速度分布、压力分布、和温度分布以及换热面的温度分布和热流分布情况。基于场协同原理,综合考虑速度场、温度场及压力场三场的协同性,分析了波纹倾斜角度对新型复合人字形板式换热器的协同性影响,结果显示:波纹倾角在30°-70°范围内,倾角为30。的复合人字形板式换热器三场协同性最佳。根据(?)耗散原理,定义了评价换热器性能的(?)耗散均匀性系数。火积耗散均匀性系数代表换热器内(?)耗散分布情况,当换热器内(?)耗散分布均分时,换热器总的(?)耗散最小;同时定义了(?)耗散的分配率,其代表换热器内由温差引起(?)耗散与由阻力引起(?)耗散之间的比例关系。复合人字形板式换热器的(?)耗散均匀性和(?)耗散分配率分析结果表明:在对流换热过程中(?)耗散与系统有用能损失存在对应关系,火积耗散最小意味着系统有用能损失最少;同时(?)散与系统(?)耗散均匀性也存在对应关系,系统(?)耗散越均匀意味其(?)耗散越小,即系统有用能损失最少。随着雷诺数的增加,在总的(?)耗散中,由阻力引起的(?)耗散比重逐渐增大。通过建立复合人字形板式换热器实验系统,对复合人字形板式换热器进行了水-水及油-水实验研究,得到了流体在这种换热器内的换热准则方程和流动特性方程。实验结果和数值模拟结果均表明:复合人字形板式换热器的综合性能与传统人字形板式换热器相比优势明显。最后,本文研究了复合人字形板式换热器内的气液两相流动与传热,给出了不同蒸汽入口速度和蒸汽入口体积含气量的影响规律。
摘要第12-14页
ABSTRACT第14-15页
主要符号第16-18页
第1章 绪论第18-28页
    1.1 引言第18页
    1.2 板式换热器的结构和特点第18-21页
    1.3 板式换热器的应用和研究进展第21-26页
    1.4 已有研究存在主要问题和本论文研究的主要工作第26-28页
第2章 复合人字形板式换热器数值模拟理论与方法第28-40页
    2.1 引言第28页
    2.2 建模方法第28-30页
    2.3 数学物理模型第30-38页
        2.3.1 研究对象第30页
        2.3.2 控制方程第30-31页
        2.3.3 湍流模型第31-34页
        2.3.4 物性参数的修订第34-35页
        2.3.5 边界条件第35-36页
        2.3.6 数值求解方法第36页
        2.3.7 网格划分及独立性验证第36-37页
        2.3.8 流动传热的有关参数和定义第37-38页
    2.4 本章小结第38-40页
第3章 复合人字形板式换热器传热与流动特性数值研究第40-67页
    3.1 引言第40页
    3.2 波纹几何参数的影响第40-49页
        3.2.1 不同大小波纹比例系数的影响第40-45页
        3.2.2 波纹高度与波纹法向节距的影响第45-47页
        3.2.3 波纹倾斜角度的影响第47-49页
    3.3 换热器流道内介质的流动与传热过程分析第49-65页
        3.3.1 介质在换热器内的流动形态与分析第50-52页
        3.3.2 介质在换热器内的速度分布特性与分析第52-58页
        3.3.3 介质在换热器内的压力分布特性与分析第58-60页
        3.3.4 介质在换热器内的温度分布特性与分析第60-63页
        3.3.5 传热面温度和热流的分布特性与分析第63-65页
    3.4 本章小结第65-67页
第4章 基于场协同原理与(?)耗散理论的复合人字形板式换热器性能研究第67-83页
    4.1 引言第67页
    4.2 场协同理论在复合人字形板式换热器中的应用第67-72页
        4.2.1 速度场与温度场的场协同分析第68页
        4.2.2 速度场与压力场的场协同分析第68-69页
        4.2.3 不同倾斜角的复合人字形板式换热器的场协同分析第69-72页
    4.3 (?)耗散原理复合人字形板式换热器中的应用第72-81页
        4.3.1 (?)耗散均匀性系数第73-76页
        4.3.2 (?)耗散率表达式第76页
        4.3.3 (?)积散分配率第76-77页
        4.3.4 不同倾斜角的复合人字形板式换热器的(?)耗散均匀性与(?)耗散分配率分析第77-81页
    4.4 强化传热综合性能评价指标、场协同和(?)耗散均匀性系数比较分析第81-82页
    4.5 本章小结第82-83页
第5章 复合人字形板式换热器水-水和油-水换热实验研究第83-111页
    5.1 引言第83页
    5.2 复合人字形板片加工方法第83-87页
        5.2.1 模具加工的技术要求第83-84页
        5.2.2 模具加工的高速铣削工艺方案拟定第84-87页
    5.3 水-水换热实验方案第87-94页
        5.3.1 板片形式及其组合方法第88-90页
        5.3.2 实验系统第90-91页
        5.3.3 实验误差分析第91-93页
        5.3.4 实验步骤第93-94页
    5.4 水-水实验数据处理方法第94-98页
        5.4.1 阻力特性数据处理第94-96页
        5.4.2 传热特性数据处理第96-98页
    5.5 水-水实验结果及分析第98-102页
        5.5.1 实验结果第98-101页
        5.5.2 实验结果与数值模拟结果对比第101-102页
    5.6 油-水换热实验方案第102-104页
        5.6.1 实验系统第103-104页
        5.6.2 实验步骤第104页
    5.7 油-水实验数据处理方法第104-107页
        5.7.1 阻力特性数据处理第104-105页
        5.7.2 传热特性数据处理第105-107页
    5.8 油-水实验结果及分析第107-109页
    5.9 本章小结第109-111页
第6章 复合人字形板式换热器气液两相流模拟第111-123页
    6.1 引言第111页
    6.2 气、液两相流模拟方案第111-115页
        6.2.1 数学物理模型第111-113页
        6.2.2 数值求解方法第113-115页
    6.3 数值模拟结果第115-121页
        6.3.1 不同入口速度与蒸汽体积含气率的影响第115-116页
        6.3.2 速度分布与分析第116-118页
        6.3.3 压力分布与分析第118-119页
        6.3.4 温度分布与分析第119-120页
        6.3.5 蒸汽体积含气量分析第120-121页
    6.4 本章小结第121-123页
第7章 全文总结及展望第123-125页
    7.1 全文总结第123-124页
    7.2 本文的主要创新点第124页
    7.3 展望第124-125页
参考文献第125-139页
在读博士期间发表的论文及研究成果第139-141页
致谢第141-142页
附件第142页
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