復(fù)合波紋板式換熱器強化傳熱機理及傳熱特性研究?

板式換熱器作為一種傳熱性能優(yōu)異的熱能動力機械設(shè)備被廣泛應(yīng)用到有能量轉(zhuǎn)換過程的許多領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍的不斷擴大要求對其進(jìn)行更深入的研究。本文在對單相介質(zhì)對流換熱的物理機制進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新型網(wǎng)流型復(fù)合波紋板式換熱器，對其換熱特性和阻力特性進(jìn)行了數(shù)值和實驗研究。研究結(jié)果對板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計以及熱力和水力計算具有理論指導(dǎo)意義和實際應(yīng)用價值。 對固體壁面和單相流體之間對流換熱的物理機制進(jìn)行了分析，提出了垂直于傳熱壁面的流體速度分量是影響對流換熱關(guān)鍵因素的觀點，在此基礎(chǔ)上提出增大流場中流速與壁面呈較大夾角的區(qū)域來強化對流換熱的手段。單相流體和固體壁面之間的熱量交換可以看作是壁面附近和主流區(qū)不同溫度流體之間質(zhì)量交換的結(jié)果，垂直于壁面方向的流體運動對促進(jìn)這種交換起著主要作用；流速與壁面呈較大夾角的流動在垂直于壁面方向上的速度分量必然較大，因此增大流場中流速與壁面呈較大夾角的區(qū)域，可以強化壁面和流體之間的熱量交換。 參照相關(guān)文獻(xiàn)公布的研究成果及通過數(shù)值模擬，本文提出了利用“非平行彎曲表面”形成流動通道來增大流場中流速與壁面夾角的技術(shù)思想。板式換熱器的流體通道由“非平行彎曲表面”形成，所以相對其它型式的換熱器有較好的傳熱性能。 對傳統(tǒng)斜波紋板式換熱器內(nèi)的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，首次從波紋傾角變化會影響到流體動量沿波紋方向分量的角度，解釋了斜波紋板式換熱器內(nèi)流體流動形態(tài)變化的原因和換熱得到強化的物理機制。 通過數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)波紋幾何參數(shù)對斜波紋板式換熱器的性能有重要影響：隨著波紋傾角β逐漸增大，斜波紋板式換熱器的傳熱性能和阻力系數(shù)起初均隨之增長，當(dāng)傾角β達(dá)到60°附近時，換熱效果和阻力系數(shù)均達(dá)到最高值；波距P變化對換熱性能的影響不明顯，但P的增大會減小流阻；波高H越高換熱效果越好，但流動阻力也會以更大幅度上升： 通過數(shù)值計算得到了斜波紋板式換熱器換熱準(zhǔn)則方程，與Y.S.Kim通過實驗研究得到的換熱準(zhǔn)則方程相比兩者非常接近，證明用數(shù)值方法進(jìn)行板式換熱器性能研究的方法可靠。 對復(fù)合波紋板片強化換熱的機理進(jìn)行了數(shù)值研究得到了復(fù)合波紋幾何參數(shù)對其性能的影響規(guī)律：縱波傾角β對換熱和阻力的影響趨勢是一致的，傾角大時換熱效-果會增強，阻力也會增加；橫波波高 hl 增加在一定程度上有助于提高換熱效果，但橫波波高對摩擦系數(shù)幾乎沒有影響；橫波波距 P1 的改變對換熱影響不大，但橫波波距過大或過小都會導(dǎo)致大的摩擦系數(shù)；縱波波距 p2 減小在一定程度上可以起到強化換熱的效果，但縱波波高 h2 增加比縱波波距 p2 減小對強化換熱的影響更顯著。 建立了板式換熱器實驗系統(tǒng)，對復(fù)合波紋板式換熱器在水一水換熱情況下的換熱特性和阻力特性進(jìn)行了實驗研究，得到了流體在這種換熱器內(nèi)的換熱準(zhǔn)則方程和流動阻力特性方程，可以為復(fù)合波紋板式換熱器的設(shè)計計算提供依據(jù)。 本文對復(fù)合波紋板式換熱器進(jìn)行的汽一水換熱實驗測得蒸汽凝結(jié)對流換熱系數(shù)在15000～20000 w/(m<'2>℃)之間。通過汽水換熱實驗觀察到汽相凝結(jié)時冷凝溫度下降明顯，提出了在有汽相冷凝換熱的情況下，保持汽相介質(zhì)的壓力不要降低過快，以保持較高的凝結(jié)溫度，從而利用較大的傳熱溫差來強化換熱的觀點。 實驗和數(shù)值研究的結(jié)果均表明：在保持換熱效果相當(dāng)?shù)那疤嵯?，?fù)合波紋板式換熱器的流動阻力比人字形斜波紋板式換熱器要降低 50％左右。這證明復(fù)合波紋板式換熱器在保持良好換熱效果的同時，對流體的阻力顯著減小，其綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)斜波紋板式換熱器。 提出了復(fù)合波紋板片的曲面造型設(shè)計和加工方法，并完成了試制。最后編制的板式換熱器整體優(yōu)化設(shè)計程序，可以滿足新板片開發(fā)階段優(yōu)化設(shè)計的需要。