基于冯卡门类比的换热器表面污垢沉积的数值研究

摘要

据调查，大部分的换热设备都存在不同程度的污垢问题，一旦出现污垢沉积现象，将给换热器运行带来很大影响，造成能量损失。因此，近年来换热器的污垢问题日益受到人们的重视。本文在分别完成了3中典型的环肋管和波纹板式换热器，以流动特性分析为基础，结合冯卡门传热传质类比通过数值方法结合试验数据对比讨论了强化传热表面几何特性、流动速度等参数对污垢热阻值的影响。
　　 结果如下:
　　 (1)文章利用的研究方法是依据kern-seaton污垢模型，结合冯卡门类比通过选取合适的数值模拟方案获得其相关换热表面污垢特性。通过与相关试验数据的对比验证发现，文章的数值分析结果误差均在接收范围内，说明选取的研究方法是合理的。
　　 (2)通过分析环肋管的各个几何参数（肋高、肋间距和肋片厚度）对流型、壁面剪切力和污垢热阻渐进值的影响发现，肋间距是影响环肋管污垢特性的重要参数。在管型设计和应用选择中，肋间距即不能太大，要避免流动的重新附和，流体重新附着区的剪切力要比分离区小得多;又不能太小，间距越小流体流过肋片之后的分离强度也会越小，从而壁面剪切力也会越小，结垢越严重。
　　 (3)对3不同结构参数（板式换热器波纹高度、波纹间距、波纹角度、面积扩展系数等）板片的努塞尔数、摩擦因子和传质系数的数值结果均与试验结果一致。板式换热器的努塞尔数随雷诺数增加而增加，但增加速度减慢;BRM01因其具有最紧凑的几何结构(V形角65，板片间距7mm)，换热性能最好。
　　 (4)板式换热器的污垢热阻渐进值与板片间的流速成反比，但流速越大污垢热阻渐进值减少的速度越慢。在板式换热器的运行中，如果运行速度太小，换热效果差且易结垢;如果运行速度太大，消耗的泵功却不能有效提高换热和抑垢效果，得不偿失。因此，应结合板式换热器应用场合，根据污垢热阻渐进值与雷诺数的变化趋势选择一个最佳的运行速度，文章推荐此雷诺数在2500左右。

目录

声明

致谢

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 换热器应用情况及特点

1．2．1 管壳式换热器结构和强化传热表面

1．2．2 板式换热器结构和强化传热表面

1．3 污垢研究意义和现状

1．3．1 污垢研究意义

1．3．2 污垢研究现状

1．4 课题研究内容

2 污垢数学模型的建立和方法

2．1 污垢数学模型的建立

2．2 冯卡门类比在污垢模型中的应用

2．3 数值方法在污垢模型中的应用

2．3．1 常用的数值方法

2．3．2 湍流模型比较

2．4 污垢模型的数值计算方案

2．4．1 计算区域的选择

2．4．2 网格划分

2．4．3 控制方程

2．4．4 边界条件的设置

2．4．5 数值求解方法

2．5 本章小结

3 换热表面的污垢性能分析

3．1 数值方法的精确性分析

3．1．1 网格独立性验证

3．1．2 数值模拟方法验证

3．2 环肋管的污垢特性

3．2．1 相关试验数据

3．2．2 环肋管流动分析

3．2．3 环肋管污垢特性分析

3．3 波纹板片的污垢特性

3．3．1 相关试验数据

3．3．2 板式换热器流动传热特性

3．3．3 污垢特性

3．4 本章小结

4 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文