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原文传递管外结构对流体横掠换热管的传热与流动性能影响研究

论文题名：	管外结构对流体横掠换热管的传热与流动性能影响研究
关键词：	船舶柴油机;换热管;传热性能;流动性能
摘要：	船舶柴油机自问世以来就被用作船舶主推进动力。至20世纪50年代起，船舶柴油机几乎完全取代蒸汽机。船舶柴油机热效率高、起动性好、经济性好，是民用船舶、中小型舰艇以及常规潜艇的主要动力。换热器作为柴油机上重要的换热设备，常用来冷却淡水和润滑油。性能优良的换热器对提高柴油机热工效率和机动性能有着不可替代的作用。管壳式换热器和管翅式换热器是柴油机上常用的换热设备。在此类换热器中，管程结构单一，流动形式固定，壳程因其结构而有非常复杂的流动和换热。换热性能和阻力性能是一对矛盾体。目前的一些研究中，优化换热器性能着眼于改进换热性能，而忽视阻力性能，其结果往往导致较差的综合性能。在节能减排理念越来越深入人心的今天，需要寻求一种既能增强换热性能，还能提高综合性能的强化换热方式。在节约能耗的基础上提高换热性能，是亟待解决的难题。　　为了科学合理地改进壳程结构，以提高换热和综合性能两方面，研究管外结构对换热过程中流动和阻力的影响，并阐释管外结构换热和流动之间的联系变得尤为重要。本文旨在探究管外结构在流体横掠换热管过程中对换热和流动性能影响。对换热管周边区域传热与流动进行研究，为进一步科学合理地改进换热器壳程流动、换热性能以及综合性能做指导。本文对改进管翅式换热器或管壳式换热器壳程的流动和换热性能有较强的工程实践意义。　　首先，本文探究百叶窗结构和换热管分别对换热器局部流动和换热的不同影响，结果表明，百叶窗结构对换热强化有一定的局限，换热管之间的空隙为主要流动区域，增强换热管周边的换热为强化换热主要考虑的措施；然后，通过对不同放置位置的涡发生器流动和换热影响进行对比，结果表明，换热管前侧为主要换热区域，此处流体流动方向与温降方向平行，换热性能和阻力性能均很高；换热管两侧为流体流动主要区域，此处流体流动方向和温降方向垂直，换热性能差但阻力小，在此处增设扰动件会极大增大阻力性能；换热管后侧为尾迹区，改善尾迹区，能同时提高换热性能和阻力性能。接着，研究了椭圆管和V型流线型管的流动和换热特性，结果表明，迎风面积直接决定换热性能强度，细长流线型截面的换热管对降低流动阻力和提高整体综合性能有极大帮助，同时，改善尾迹区对提高换热性能、阻力性能和综合性能三个方面均有较明显积极作用。最后，根据局部换热和流动关系，结合整体管壳式换热器实验，对该类型换热器提出改进方案，改进后的菱形管管壳式换热器换热性能、阻力性能和综合性能均有显著提高。全文主要内容如下：　　1）设计出了低功率热能供应情况下满足高功率能耗换热器测试的实验台架。将已有的实验设备和现设计的实验设备通过局域网连接起来，提高实验设备利用率。对LQ10型号的管壳式换热器壳程进行测试，研究其换热性能和阻力性能，为建立三维模型及模拟计算提供基础实验数据。　　2）以百叶窗翅片管换热器为研究对象，旨在对比换热器中百叶窗结构和换热管的综合性能，分析百叶窗强化换热机理。在总入口流量保持恒定时，通过改变冲刷百叶窗结构和换热管流体速度的大小，来比较两者对整体传热与流动性能的影响。探究百叶窗结构和换热管分别对流动性能和换热性能影响。　　3）通过对比同一矩形涡发生器三种不同放置位置对流动性能和换热性能的影响，来探究换热管前侧、两侧和后侧三个区域在冷流体横掠换热管时对换热性能和阻力性能的影响。通过对比换热管周边三个区域换热性能和阻力性能的差异，研究表明在换热管后侧尾迹区合理放置矩形涡发生器，可以同时增强换热性能和综合性能。　　4）通过研究椭圆形换热管和V型换热管来探讨尾迹区对换热性能和阻力性能的影响。采用不同横截面换热管，优化流体流动通道，改善换热管后尾迹区，研究改善换热管尾迹区后不同形式截面换热管对阻力性能、换热性能以及综合性能的影响。　　5）结合前面管壳式换热器的实验，对LQ10型号的管壳式换热器进行整体数值模拟仿真。提出换热管改进方案，对改进方案进行数值模拟仿真研究，改进管壳式换热器壳程流道结构，旨在同时提高换热性能、阻力性能和综合性能三方面的性能指标。菱形管管壳式换热器进出口流体压差比等截面面积圆形管管壳式换热器降低16.68%-56.3%，温差提高4.42%-9.29%。从综合性能提高高24.27%-107.8%。
作者：	王强
专业：	轮机工程
导师：	钱作勤
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021