復(fù)合波紋板式換熱器強(qiáng)化傳熱機(jī)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(dòng)力機(jī)械設(shè)備被廣泛應(yīng)用到有能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的許多領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大要求對(duì)其進(jìn)行更深入的研究。本文在對(duì)單相介質(zhì)對(duì)流換熱的物理機(jī)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(duì)其換熱特性和阻力特性進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果對(duì)板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及熱力和水力計(jì)算具有理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 對(duì)固體壁面和單相流體之間對(duì)流換熱的物理機(jī)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(duì)流換熱關(guān)鍵因素的觀點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出增大流場(chǎng)中流速與壁面呈較大夾角的區(qū)域來(lái)強(qiáng)化對(duì)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(yùn)動(dòng)對(duì)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(dòng)在垂直于壁面方向上的速度分量必然較大，因此增大流場(chǎng)中流速與壁面呈較大夾角的區(qū)域，可以強(qiáng)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(guò)數(shù)值模擬，本文提出了利用“非平行彎曲表面”形成流動(dòng)通道來(lái)增大流場(chǎng)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(duì)其它型式的換熱器有較好的傳熱性能。 對(duì)傳統(tǒng)斜波紋板式換熱器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，首次從波紋傾角變化會(huì)影響到流體動(dòng)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(dòng)形態(tài)變化的原因和換熱得到強(qiáng)化的物理機(jī)制。 通過(guò)數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)波紋幾何參數(shù)對(duì)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(zhǎng)，當(dāng)傾角β達(dá)到60°附近時(shí)，換熱效果和阻力系數(shù)均達(dá)到最高值；波距P變化對(duì)換熱性能的影響不明顯，但P的增大會(huì)減小流阻；波高H越高換熱效果越好，但流動(dòng)阻力也會(huì)以更大幅度上升： 通過(guò)數(shù)值計(jì)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)復(fù)合波紋板片強(qiáng)化換熱的機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值研究得到了復(fù)合波紋幾何參數(shù)對(duì)其性能的影響規(guī)律：縱波傾角β對(duì)換熱和阻力的影響趨勢(shì)是一致的，傾角大時(shí)換熱效-果會(huì)增強(qiáng)，阻力也會(huì)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(duì)摩擦系數(shù)幾乎沒(méi)有影響；橫波波距 P1 的改變對(duì)換熱影響不大，但橫波波距過(guò)大或過(guò)小都會(huì)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(qiáng)化換熱的效果，但縱波波高 h2 增加比縱波波距 p2 減小對(duì)強(qiáng)化換熱的影響更顯著。 建立了板式換熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)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(shí)驗(yàn)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(dòng)阻力特性方程，可以為復(fù)合波紋板式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)。 本文對(duì)復(fù)合波紋板式換熱器進(jìn)行的汽一水換熱實(shí)驗(yàn)測(cè)得蒸汽凝結(jié)對(duì)流換熱系數(shù)在15000～20000 w/(m<'2>℃)之間。通過(guò)汽水換熱實(shí)驗(yàn)觀察到汽相凝結(jié)時(shí)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(guò)快，以保持較高的凝結(jié)溫度，從而利用較大的傳熱溫差來(lái)強(qiáng)化換熱的觀點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)，對(duì)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(jì)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(jì)程序，可以滿足新板片開(kāi)發(fā)階段優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要。