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低温余热回收利用强化换热技术及数值模拟研究

作　者: 李明磊
导　师: 王华；王辉涛
学　校: 昆明理工大学
专　业: 冶金物理化学
关键词: 低温余热新型光管高效传热管三维数值模拟
分类号: TK115
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

我国能源人均拥有量仅为世界平均水平的19.4%,处于世界落后水平。在国际先进工业水平下,其能源平均利用率可达60%,我国工业能源平均利用率仅为33%,这与中低温余热的利用率低、浪费严重密切相关。低温余热回收技术亟待提高。本文主要研究了烟气余热回收采用的传热管的强化换热技术,基于热力学、传热学、流体力学等理论,运用CFD数值模拟,结合传热管的几何结构,具体研究烟气速度场、重力场、温度场等在错排和顺排管束下的对流换热特性,提出了具体的改进方法。针对管尾尾流恶化换热效果的特性,提出了两种解决措施：第一：增加回流的温度；第二：促进流体混合速度,减少回流量。在此基础上设计了截面相对内凹和外凸状两种新型传热管。对传统光管数值模拟的结果与分段幂次实验关联式进行比较,表明平均表面换热系数相符甚好,验证了数值模拟的可行性。另外,通过与传统换热管传热与阻力性能的对比可见,两种新型传热管换热效率分别提高4.8‰、17.6‰；平均阻力系数降低6.74%、4.94%。将两种传热管运用到顺排结构,研究了它们的传热阻力特性,并拟合出关联式。针对错排结构压损较大的缺点,本文设计了一种带有差数量级肋柱的传热管。对该换热管分析,在肋柱与基管剖面之间形成三维错排结构,利用肋柱直径和基管直径差1个数量级的特点,保证在阻力增加不多的同时,在传热表面形成强烈二次扰流,提高换热效果。对其进行三维数值模拟,带有差数量级错排剖面结构的截面在X方向上速度分量明显提高,在Z方向上速度分量大幅降低,证明此传热管在提高换热效率减少积灰、改善传热管磨损程度上是可行的。从能量利用角度对换热性能进行评价,即余热回收量与压降用能量的比值越大,能量回收效果越好,以此为指标研究了差数量级错排结构的换热特性,带有差数量级错排剖面结构的截面压降增加速度小于换热量的增加速度；肋柱的高度和倾斜角的设计应保证肋柱剖面与对应的基管剖面的距离在0～22.5mm之间,此时具有更好的换热性能。另外,CFD模型的流场、温度场计算结果为进一步优化传热管设计提供了理论计算依据。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章绪论  8-20
  1.1 选题背景  8-15
    1.1.1 我国能源现状  8-10
    1.1.2 低温余热利用状况  10-11
    1.1.3 低温余热发电的研究现状  11-15
  1.2 低温余热回收利用强化换热技术及数值模拟现状  15-19
    1.2.1 热交换器及研究方法  15-16
    1.2.2 强化换热技术及数值模拟研究现状  16-19
  1.3 本文研究的目的与研究内容  19-20
第二章低温余热回收利用强化换热技术及数值模拟理论  20-30
  2.1 对流换热理论  20-23
    2.1.1 流体对换热过程的影响  20-21
    2.1.2 对流换热问题的数学描写  21-22
    2.1.3 对流换热的边界层微分方程组  22-23
  2.2 流体流动理论  23-26
  2.3 数值传热理论及FLUENT原理  26-29
    2.3.1 数值传热理论  26-27
    2.3.2 FLUENT原理  27-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章新型传热管及数值模拟  30-82
  3.1 传热光管的对流换热特性研究  30-43
    3.1.1 光管的顺、错排二维换热模拟  30-39
    3.1.2 错排、顺排结构的换热结果分析  39-43
  3.2 传热管管束顺排结构和错排结构关键因素的影响  43-62
    3.2.1 传热管管束到两侧的距离对换热的影响  43-52
    3.2.2 传热管管束横向间距和纵向间距对传热与流动特性的影响  52-59
    3.2.3 固定最佳旁通距离和横向管基距时的传热和流动特性  59-62
  3.3 传热管截面形状对传热与流动特性的影响  62-69
    3.3.1 新型传热管  62
    3.3.2 数值模拟实验模型的建立  62-64
    3.3.3 数值模拟实验原始数据  64-65
    3.3.4 传统光管数值模拟结果与实验关联式的比较  65
    3.3.5 新型传热管与传统换热管的比较  65-69
  3.4 三种传热管顺排管束的传热性能分析与对比  69-78
    3.4.1 模型的建立  69-70
    3.4.2 数值模拟结果分析  70-78
  3.5 本章小结  78-82
第四章高效传热管的设计及三维数值模拟  82-102
  4.1 高效传热管  82-85
  4.2 高效传热管的三维模拟实验  85-94
    4.2.1 模型简化与几何体的建立  85-87
    4.2.2 模型网格化分  87-88
    4.2.3 控制方程及定解条件  88-89
    4.2.4 计算结果分析  89-94
  4.3 高效传热管的换热性能研究  94-101
    4.3.1 性能评价指标  94
    4.3.2 五种工况下的换热性能比较  94-95
    4.3.3 差数量级错排结构的换热特性分析  95-97
    4.3.4 肋柱高度和倾斜角的设计方法  97-101
  4.4 本章小结  101-102
第五章结论与展望  102-106
  5.1 研究总结  102-104
  5.2 工作展望  104-106
致谢  106-108
参考文献  108-112
附录A 攻读硕士期间发表论文目录  112

低温余热回收利用强化换热技术及数值模拟研究

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