论文部分内容阅读
近年来，我国工业化、城镇化进程加快，能源需求也不断增长，因此许多地区出现不同程度上的能源紧缺的问题。热交换器是用于冷热流体热量交换的设备，可对能源进行二次利用达到节能减排的效果，因此在能源、化工、电力、冶金等方面得到广泛应用。对热交换器进行能效评价可加强对其节能管理，提高能源利用率，也可指导热交换器的设计，促进产业升级，但由于热交换器类型多种、应用场合多样，因此目前暂未有统一的能效评价标准。
本文开展了螺旋板式热交换器数值模拟、性能测试试验、能效指标研究，提出了针对于水-水无相变、湍流流动的螺旋板式热交换器的能效评价方法，主要研究内容及结论如下：
（1）采用周期结构模型对螺旋板式热交换器的传热过程进行数值模拟，研究定距柱排列密度、螺旋通道的弯度对夹层通道传热性能的影响规律。根据模拟结果，在湍流状态下螺旋流的传热准则方程中考虑定距柱排列密度的影响，加以修正。与原公式比较，新的准则方程可将努塞尔数的预测误差从-40%～-20%降低至-9%～20%。
（2）搭建螺旋板式热交换器性能测试平台，设计并加工四台定距柱排列密度不同、当量直径不同、换热面积均为5m2的螺旋板式热交换器。通过热交换器性能测试试验，研究螺旋板式热交换器的热工参数、结构参数对热交换器的传热及流动过程的影响规律。试验结果表明：总体传热系数K以及压力梯度▽P均与流速成正相关关系，但总体传热系数K的增幅会不断减少，而压力梯度▽P的增幅却不断增大，这是因为它们与流速的幂次关系不同；当量直径的增大会增加通道内流体的扰动，从而促进流体与壁面之间的热交换，提高总体对流换热系数K。
（3）根据螺旋板式热交换器性能测试结果对四台热交换器的热工及阻力特性进行分析。螺旋板式热交换器热工性能有多种计算方法，本文对定性雷诺数法、等流速法以及等对流换热系数法的计算过程进行介绍，并对计算结果进行比较，发现定性雷诺数法的计算过程较为简便且准确度最高。本文还根据试验结果对经典流阻方程进行验证，发现对于一般的螺旋板式热交换器，其预测值会偏小，因此通过扩充数据库的方式，对流阻准则方程重新进行拟合，以提高预测精度。
（4）通过热力学推导、热力学第二定律验证，确定K/▽P作为螺旋板式热交换器能效指标的可行性。能效指标K/▽P表示热交换器消耗单位流动压降所获得的总体传热系数，可对热交换器的能效属性进行反映。利用修正后的传热准则方程以及流阻准则方程，对《热交换器型式与基本参数第5部分：螺旋板式热交换器》（GB/T28712.5-2012）中的252台典型螺旋板式热交换器进行理论分析，建立能效指标K/▽P数据库。通过参数估计以及检验假设等数理统计的手段，发现能效指标K/▽P满足正态分布，据此对热交换器进行能效水平的划分。试验数据表明，能效指标K/▽P会随着流速的增大而减小，但是螺旋板式热交换器能效值的相对大小却不会发生改变，因此在能效评价方法中采用0.5~1.0m/s下K/▽P的均值作为能效值。
本文开展了螺旋板式热交换器数值模拟、性能测试试验、能效指标研究，提出了针对于水-水无相变、湍流流动的螺旋板式热交换器的能效评价方法，主要研究内容及结论如下：
（1）采用周期结构模型对螺旋板式热交换器的传热过程进行数值模拟，研究定距柱排列密度、螺旋通道的弯度对夹层通道传热性能的影响规律。根据模拟结果，在湍流状态下螺旋流的传热准则方程中考虑定距柱排列密度的影响，加以修正。与原公式比较，新的准则方程可将努塞尔数的预测误差从-40%～-20%降低至-9%～20%。
（2）搭建螺旋板式热交换器性能测试平台，设计并加工四台定距柱排列密度不同、当量直径不同、换热面积均为5m2的螺旋板式热交换器。通过热交换器性能测试试验，研究螺旋板式热交换器的热工参数、结构参数对热交换器的传热及流动过程的影响规律。试验结果表明：总体传热系数K以及压力梯度▽P均与流速成正相关关系，但总体传热系数K的增幅会不断减少，而压力梯度▽P的增幅却不断增大，这是因为它们与流速的幂次关系不同；当量直径的增大会增加通道内流体的扰动，从而促进流体与壁面之间的热交换，提高总体对流换热系数K。
（3）根据螺旋板式热交换器性能测试结果对四台热交换器的热工及阻力特性进行分析。螺旋板式热交换器热工性能有多种计算方法，本文对定性雷诺数法、等流速法以及等对流换热系数法的计算过程进行介绍，并对计算结果进行比较，发现定性雷诺数法的计算过程较为简便且准确度最高。本文还根据试验结果对经典流阻方程进行验证，发现对于一般的螺旋板式热交换器，其预测值会偏小，因此通过扩充数据库的方式，对流阻准则方程重新进行拟合，以提高预测精度。
（4）通过热力学推导、热力学第二定律验证，确定K/▽P作为螺旋板式热交换器能效指标的可行性。能效指标K/▽P表示热交换器消耗单位流动压降所获得的总体传热系数，可对热交换器的能效属性进行反映。利用修正后的传热准则方程以及流阻准则方程，对《热交换器型式与基本参数第5部分：螺旋板式热交换器》（GB/T28712.5-2012）中的252台典型螺旋板式热交换器进行理论分析，建立能效指标K/▽P数据库。通过参数估计以及检验假设等数理统计的手段，发现能效指标K/▽P满足正态分布，据此对热交换器进行能效水平的划分。试验数据表明，能效指标K/▽P会随着流速的增大而减小，但是螺旋板式热交换器能效值的相对大小却不会发生改变，因此在能效评价方法中采用0.5~1.0m/s下K/▽P的均值作为能效值。