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滑油冷却器强化换热与阻力特性研究

作　者: 石帅
导　师: 阎昌琪
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 核能科学与工程
关键词: 针翅套管滑油冷却器强化传热流动特性性能评价数值模拟
分类号: TK172
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

换热设备在核电厂、船舶动力系统中占有很大比重，提高换热设备的换热效率，使之具有高效节能的特点是当前的一个重要研究课题。实现上述特点就要依靠传热强化技术的应用，而应用什么样的传热强化技术要取决于工质的热力学特性和流体力学特性。本文采用水冷却68#润滑油的方式，研究了高粘性流体在一种新型针翅套管滑油冷却器内的传热与阻力特性。首先通过单管实验，研究了影响针翅套管元件传热与阻力的主要因素，并对其传热强化机理进行了分析；然后在此基础上制造针翅套管滑油冷却器，并对其进行实验研究；通过与其它类型滑油冷却器的比较，对针翅套管滑油冷却器的综合性能进行了评价；为了全面了解针翅套管元件内的流动与传热情况，最后还用数值模拟的方法对其进行了研究。得到的研究结果对针翅套管滑油冷却器的优化设计和工程应用具有实际意义。本文的主要研究工作如下：1.以高粘性润滑油为工质，对新型复合强化传热元件—针翅套管元件进行传热和阻力特性研究。探究它与普通流道的差别以及影响其性能的主要因素。建立针翅管针翅传热模型，在等壁温条件下对环形通道内充分发展层流对流换热问题进行研究，分析针翅套管强化传热的机理，推导针翅套管换热元件的优化参数。另外，对实验数据进行分析整理，拟合针翅套管在进行双侧强迫对流换热时的传热与阻力实验关联式。2.对针翅套管滑油冷却器进行实验研究，和相应的单管进行对比分析。水流量和油流量的分配不均、针翅管加工质量以及管束效应是导致单管和管束换热存在差别的主要因素。研究水流量对针翅套管滑油冷却器换热效果的影响，并确定了1#针翅套管滑油冷却器的最佳水流量范围为18~22m3/h。对两种针翅套管滑油冷却器进行了性能评价，结果表明，它们的同功耗下强化指标是对应光滑套管滑油冷却器的1.4~1.9倍，同时用“单位压降下的单位体积释热率”这一参数对换热器的综合性能评价进行了补充。3.对自支撑式、套管式和板壳式滑油冷却器进行实验研究，并将它们和实验用及工程用光管滑油冷却器进行对比分析。与光管滑油冷却器相比，它们的换热效果明显提高，体现了小型化与高效化的特点，并对其油侧换热与阻力实验数据进行了回归分析，得到的实验关联式能较好的兼顾关键因素对滑油冷却器换热与流动特性的影响，在一定范围内可推广使用。在Webb评价准则的基础上，以滑油冷却器壳程（油侧）流动为研究对象，推导适合本实验研究的性能评价指标计算公式，评价公式计算结果表明，针翅套管滑油冷却器的综合性能最佳，当压力损失和体积相同时，换热量约为基准滑油冷却器的1.86～2.16倍。同时，还从加工工艺出发，指出自支撑式滑油冷却器在石油化工等存在高粘性流体换热的领域应具有较好的应用前景。4.由于实验的方法存在成本高、效率低的缺点，本文最后用数值模拟的方法对针翅套管元件进行研究，探讨这种方法对具有复杂几何结构的针翅套管元件的可行性。通过模拟值与实验值的对比，表明二者的最大误差在20%左右，从物理模型的建立、计算域的离散等方面分析了误差来源。对计算域的温度分布云图、压力分布云图和速度矢量图进行分析，研究针翅套管元件强化传热的机理，由于针翅的扰动，增大了壁面处的温度梯度，使润滑油主流区的温度分布更加均匀，强化了传热。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-25
  1.1 引言  13-14
  1.2 高粘性流体流动与传热的特点  14-15
  1.3 高粘性流体强化传热技术研究及进展  15-23
    1.3.1 典型的被动强化传热技术  15-19
    1.3.2 高粘性流体传热强化的特点与方法  19-23
  1.4 存在的问题及本文的主要研究内容  23-25
第2章实验装置及数据处理方法  25-35
  2.1 实验系统  25-26
  2.2 实验元件和实验段  26-28
    2.2.1 单管实验元件和实验段  26-27
    2.2.2 管束实验体  27-28
  2.3 实验内容  28-30
    2.3.1 实验测量参数  28-29
    2.3.2 实验方案  29
    2.3.3 实验步骤  29-30
  2.4 实验数据处理方法  30-33
    2.4.1 换热量的计算  30-31
    2.4.2 传热系数的计算  31-32
    2.4.3 关于特征尺寸的选取问题  32-33
    2.4.4 摩擦阻力系数的计算  33
  2.5 本章小结  33-35
第3章针翅套管单管传热与阻力特性研究  35-61
  3.1 实验元件结构和几何参数  35-36
  3.2 针翅套管换热特性实验研究  36-39
    3.2.1 翅高对换热的影响  37
    3.2.2 节距对换热的影响  37-38
    3.2.3 温差对换热的影响  38-39
  3.3 针翅套管流动阻力特性的实验研究  39-43
    3.3.1 相对翅高对阻力的影响  40-41
    3.3.2 针翅节距对阻力的影响  41-42
    3.3.3 进出口温差对阻力的影响  42-43
  3.4 针翅套管强化传热机理分析  43-55
    3.4.1 针翅套管传热强化的方法  43-44
    3.4.2 针翅管强化换热过程中翅片的作用  44-49
    3.4.3 实验验证  49-51
    3.4.4 针翅套管强化换热的理论分析  51-55
  3.5 公式回归  55-58
    3.5.1 传热公式回归  55-56
    3.5.2 阻力公式回归  56-58
  3.6 本章小结  58-61
第4章针翅套管滑油冷却器传热与阻力特性研究  61-87
  4.1 对流换热问题的控制方程组  61-66
    4.1.1 质量守恒方程  61-63
    4.1.2 动量守恒方程  63
    4.1.3 能量守恒方程  63-66
  4.2 套管式滑油冷却器的实验研究与分析  66-80
    4.2.1 实验元件结构和几何参数  66-69
    4.2.2 套管换热器换热特性研究  69-72
    4.2.3 套管换热器阻力特性研究  72-73
    4.2.4 水流量对 TH1 滑油冷却器油侧传热与阻力性能的影响  73-77
    4.2.5 TH2 滑油冷却器水侧阻力的研究  77-80
  4.3 套管式滑油冷却器 TH1 与 TH2 综合性能的评价与比较  80-85
    4.3.1 单相对流换热的传热强化评价准则  80-82
    4.3.2 TH1 与 TH2 滑油冷却器综合性能的评价与比较  82-85
  4.4 本章小结  85-87
第5章滑油冷却器传热与阻力特性的对比分析  87-115
  5.1 管壳式滑油冷却器传热与流动性能的对比分析  87-93
    5.1.1 传热性能的实验结果  87-92
    5.1.2 阻力性能的实验结果  92-93
  5.2 TH2 与板壳式滑油冷却器性能的对比分析  93-98
    5.2.1 板壳式换热器结构  93-94
    5.2.2 传热性能对比分析  94-97
    5.2.3 阻力性能对比分析  97-98
  5.3 传热与阻力计算关联式  98-101
  5.4 不同结构的滑油冷却器总体性能评价  101-113
    5.4.1 强化传热管性能评价准则的推导  102-108
    5.4.2 滑油冷却器性能评价结果分析  108-113
  5.5 本章小结  113-115
第6章针翅套管元件的数值模拟  115-127
  6.1 引言  115
  6.2 物理模型  115-116
  6.3 数学模型  116-117
    6.3.1 流场基本控制方程  116-117
    6.3.2 湍流流动模型  117
  6.4 边界条件  117-118
  6.5 计算域的离散  118
  6.6 数值计算与实验结果的比较分析  118-125
  6.7 本章小结  125-127
结论  127-131
参考文献  131-141
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  141-143
致谢  143

滑油冷却器强化换热与阻力特性研究

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