百叶折流板换热器壳侧流动与传热性能研究

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管壳式换热器由于结构很可靠,设计与制造简单,生产成本低,能够承受高温高压,处理清洗方便等特点,被广泛地应用于动力、能源、核能化工等领域。但是传统的弓形折流板管壳式换热器壳侧存在流体的突然转向和流动死区,其阻力大,压降损失大。改善和优化管壳式换热器壳侧结构,减少壳侧流动死区和降低压降,对于换热器的节能降耗具有重要的意义。鉴于此,本文提出了一种百叶折流板管壳式换热器,建立了三维数值模型,进行了有效性验证;获得了其局部速度场和温度场,并进行了分析;通过三维数值模拟进对不同的流体介质、不同百叶折流板设置方式、不同百叶折流板角度以及不同百叶折流板的间距对换热器壳侧压降、传热和综合性能的影响进行了研究。主要的内容和结果如下:(1)百叶折流板换热器壳程流场分布均匀,没有弓形折流板换热器的壳程流体流动方向突然改变,减小和消除了换热器壳程的流动死区,有效降低了换热器壳程压降。(2)百叶折流板换热器壳程温度场分布均匀,流体与管束充分接触,没有像弓形板换热器在弓形折流板后明显的局部换热恶化区。(3)在本文所研究的换热器入口流速范围内,百叶折流板换热器的综合性能优于弓形折流板换热器,与弓形折流板换热器相比,当流体介质为水时,百叶折流板换热器换热系数减小了0.52%~0.82%,当流体介质为空气和油时,百叶折流板换热器换热系数依次增加了2.56%~3.36%和2%~4.65%;壳侧压降依次降低15.87%~16.5%、21.25%~30.11%和12.98%~15.07%;单位压降下的换热系数依次提高了15.8%~18%、12.92%~16.18%和15.8%~16.2%。(4)在本文所研究的换热器入口流速范围内,与弓形折流板换热器作比较,水平百叶折流板换热器、竖直百叶折流板换热器的换热系数分别减小了6.55%~6.87%、0.52%~0.82%;压降比弓形折流板换热器分别降低了14.78%~15.4%、15.87%~16.5%;单位压降下的换热系数依次提高了8.77%~9.25%、15.8%~18%。因此竖直百叶折流板换热器换热效果比水平百叶折流板换热器换热效果好。(5)在本文所研究的换热器入口流速范围内,与弓形折流板换热器比较,百叶折流板角度为30°、40°和50°的百叶折流板换热器的换热系数依次减小了0.09%~0.52%、7.3%~7.8%和11.78%~12.33%;其压降减小了15.87%~16.5%,20.89%~30.67%,37.13%~37.81%;其单位压降下的换热系数提高了15.8%~16.2%,24.36%~24.73%,28.74%~29.27%。百叶折流板换热器折流板角度越大,其单位压降的换热系数越大,其换热效果越好。(6)在本文所研究的换热器入口流速范围内,百叶折流板间距为300mm、百叶折流板间距为400mm的换热器换热系数比弓形折流板换热器依次降低了5.59%~6.78%、0.52%~0.82%;其压降依次减小了12.56%~12.94%、15.87%~16.5%;其单位压降下的换热系数依次提高了19.21%~21.41%、15.8%~18%。
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