复合波纹板式换热器强化传热机理及传热特性研究?
板式换热器作为一种传热性能优异的热能动力机械设备被广泛应用到有能量转换过程的许多领域，其应用范围的不断扩大要求对其进行更深入的研究。本文在对单相介质对流换热的物理机制进行分析研究的基础上，提出了一种新型网流型复合波纹板式换热器，对其换热特性和阻力特性进行了数值和实验研究。研究结果对板式换热器的优化设计以及热力和水力计算具有理论指导意义和实际应用价值。 对固体壁面和单相流体之间对流换热的物理机制进行了分析，提出了垂直于传热壁面的流体速度分量是影响对流换热关键因素的观点，在此基础上提出增大流场中流速与壁面呈较大夹角的区域来强化对流换热的手段。单相流体和固体壁面之间的热量交换可以看作是壁面附近和主流区不同温度流体之间质量交换的结果，垂直于壁面方向的流体运动对促进这种交换起着主要作用；流速与壁面呈较大夹角的流动在垂直于壁面方向上的速度分量必然较大，因此增大流场中流速与壁面呈较大夹角的区域，可以强化壁面和流体之间的热量交换。 参照相关文献公布的研究成果及通过数值模拟，本文提出了利用“非平行弯曲表面”形成流动通道来增大流场中流速与壁面夹角的技术思想。板式换热器的流体通道由“非平行弯曲表面”形成，所以相对其它型式的换热器有较好的传热性能。 对传统斜波纹板式换热器内的流场进行了数值模拟，首次从波纹倾角变化会影响到流体动量沿波纹方向分量的角度，解释了斜波纹板式换热器内流体流动形态变化的原因和换热得到强化的物理机制。 通过数值研究发现波纹几何参数对斜波纹板式换热器的性能有重要影响：随着波纹倾角β逐渐增大，斜波纹板式换热器的传热性能和阻力系数起初均随之增长，当倾角β达到60°附近时，换热效果和阻力系数均达到最高值；波距P变化对换热性能的影响不明显，但P的增大会减小流阻；波高H越高换热效果越好，但流动阻力也会以更大幅度上升： 通过数值计算得到了斜波纹板式换热器换热准则方程，与Y.S.Kim通过实验研究得到的换热准则方程相比两者非常接近，证明用数值方法进行板式换热器性能研究的方法可靠。 对复合波纹板片强化换热的机理进行了数值研究得到了复合波纹几何参数对其性能的影响规律：纵波倾角β对换热和阻力的影响趋势是一致的，倾角大时换热效-果会增强，阻力也会增加；横波波高 hl 增加在一定程度上有助于提高换热效果，但横波波高对摩擦系数几乎没有影响；横波波距 P1 的改变对换热影响不大，但横波波距过大或过小都会导致大的摩擦系数；纵波波距 p2 减小在一定程度上可以起到强化换热的效果，但纵波波高 h2 增加比纵波波距 p2 减小对强化换热的影响更显著。 建立了板式换热器实验系统，对复合波纹板式换热器在水一水换热情况下的换热特性和阻力特性进行了实验研究，得到了流体在这种换热器内的换热准则方程和流动阻力特性方程，可以为复合波纹板式换热器的设计计算提供依据。 本文对复合波纹板式换热器进行的汽一水换热实验测得蒸汽凝结对流换热系数在15000～20000 w/(m<'2>℃)之间。通过汽水换热实验观察到汽相凝结时冷凝温度下降明显，提出了在有汽相冷凝换热的情况下，保持汽相介质的压力不要降低过快，以保持较高的凝结温度，从而利用较大的传热温差来强化换热的观点。 实验和数值研究的结果均表明：在保持换热效果相当的前提下，复合波纹板式换热器的流动阻力比人字形斜波纹板式换热器要降低 50％左右。这证明复合波纹板式换热器在保持良好换热效果的同时，对流体的阻力显著减小，其综合性能优于传统斜波纹板式换热器。 提出了复合波纹板片的曲面造型设计和加工方法，并完成了试制。最后编制的板式换热器整体优化设计程序，可以满足新板片开发阶段优化设计的需要。