波纹型螺旋板式热交换器的传热性能研究.pdf
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1、第 卷总第 期 年 月第 期 节 能 技 术 .波纹型螺旋板式热交换器的传热性能研究江学静刘 娇叶志强范 兰许 琦(.盐城工学院机械工程学院江苏 盐城.盐城工学院产业技术研究院江苏 盐城.盐城兰丰环境工程科技有限公司江苏 盐城)摘 要:目的:本文将波纹结构应用到螺旋板式换热器设计中使流道为“非平行换热通道”增大流体垂直于壁面方向的速度分量提高螺旋板式换热器的综合性能 方法:通过正交试验应用有限元分析软件模拟九组波纹板参数组合的波纹型螺旋板式热交换器的阻力和传热性能 结果:在九组试验中当雷诺数为 波纹半径为.、波高为.和波距为.时波纹型结构螺旋板式热交换器的综合评价系数是.波高对综合性能影响最大
2、波距次之波纹半径最小归纳总结得到/与 的准则关系式 结论:波高 为影响综合评价系数的主要因素 雷诺数在 区间内波纹结构对螺旋板式换热器的综合评价系数具有积极影响有利于提高螺旋板式换热器的综合性能关键词:波纹结构螺旋板式热交换器努塞尔数阻力系数综合评价系数传热数值模拟中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期 修订稿日期 作者简介:江学静()女硕士研究生研究方向为建材机械及环保装备设计与制造 (.):“”.:.:./.:.:引言螺旋板换热器()是一种高效的换热器由于其紧凑的设计传热效率高自清洁能力强占地面积小等优点广泛应用于化工、食品和电力等行业 螺旋板换热器的换热介质平行于壁面影响边界层传
3、热效果 对于螺旋板换热器许多学者研究定距柱结构对换热器性能的影响设计了紧凑蜂窝结构、心三角翼涡流发生器与圆柱组合、螺旋曲面三维肋、翅片凹坑蜂窝等不同结构 也有学者研究了结构参数(如通道间距、螺旋长度、螺旋宽度和壁厚等)对传热性能的影响 有学者编写代码优化螺旋板换热器的几何形状参数 甘留意等研究了缩放结构的换热板对螺旋板式换热器换热特性的影响 等采用计算流体力学()和场协同原理研究了数值模拟逆流螺旋板式换热器在层流状态下的换热性能 等将线圈插入平行板以强化传热 等学者研究了不同角度人字形波纹对换热器换热效率的影响 对螺旋板换热器的换热元件的外压稳定性、强度和刚度也有所研究目前对于螺旋板式换热器的
4、换热板元件研究较少且换热能力还可以进一步得到提高 本文将换热板件的结构设计为波纹结构研究波纹参数对换热性能的影响通过被动式强化(无源强化)增大湍动程度减薄温度边界层强化换热提高换热能力 波纹型螺旋板式热交换器的结构设计波纹型螺旋板式热交换器()的整体结构与传统的螺旋板式热交换器相同如图 中()所示 不同之处在于 的换热元件是由一块波纹结构的换热板件和一块光滑的换热板件相互卷制而成如图 中()所示 为了简化研究的影响因素设计流道模型为无定距柱如图()所示图()波纹型螺旋板式热交换器()换热元件()波纹型流道结构 本文选取最内侧局部的流道模型作为模拟对象流道高度 为 流道宽度 为 选取 圆弧流道模
5、型如图 所示图 流道模型结构图根据国家和行业标准 选定波纹的相关参数对波高、波纹半径 和波距 进行三因素三水平的正交试验模型模拟参数如表 所示表 波纹型螺旋板式热交换器波纹板参数正交表.波高/波纹半径/波距/.模型验证.基本控制方程传热基本方程 ()式中 传热速率/总传热系数 传热面积 对数平均温差/对流场做出如下假设:流体为不可压缩液体流体物性保持稳定满足动量守恒和能量守恒忽略流体重力流体是各向同性的连续性介质流道壁面是无滑移壁面传热数值模拟分析首先要满足三个基本控制方程分别是质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程具体方程如下:质量守恒方程()()()()式中 流体密度 流体流动时间、和
6、速度矢量 在、和 方向上的速度分量假设本模拟中流体为不可压缩的液态水因此 为常数公式()整理为()动量守恒方程()()()()()()()()()式中 流体微元体上的压力 因分子粘性而产生的作用在微元体表面上的粘性应力、和 等 的分量、和 微元体上的体力若体力只有重力且 轴竖直向上则、和 能量守恒方程 ().模拟条件本文采用有限元分析中的 仿真模块对流道模型仿真模拟计算 如图 所示模型边界条件和模拟算法设置如下:()液体介质入口()流体介质为水入口速度 取./温度 ()出口为自由出口()()上下壁面为对称边界条件()()前后壁面为无滑移壁面()恒温壁面 ()求解器为三维双精度()()湍流模型(
7、)为 模型近壁面函数为放缩壁面函数()()求解算法为 压力离散格式为!格式其他离散格式均为二阶迎风格式()图 流道模型边界条件.性能评价方法等泵功评价方法在螺旋板式热交换器中已经得到了广泛应用它综合考虑了换热系数和阻力系数在相同的输送功率下通过评估努塞尔数()和阻力系数()比较换热器的综合性能的优劣主要的公式如下()()()/(/)()式中 波纹型螺旋板式热交换器的努赛尔特准数 流道截面的当量直径/热传导系数/()对流换热系数/()热通量/波纹型螺旋板式热交换器的阻力系数 进出口压降/流体密度/流道长度/平均速度/螺旋板式热交换器的综合性能评价系数 普通螺旋板式热交换器的努赛尔特准数 普通螺旋
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