螺紋管內(nèi)單相流動換熱與污垢沉積的數(shù)值研究及優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、螺紋管作為一種采用粗糙表面強(qiáng)化技術(shù)來對換熱器進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的無功強(qiáng)化元件，由于其高效的換熱性能、較低的壓降損失與大規(guī)模生產(chǎn)的低成本，在實際工程中的應(yīng)用越來越廣泛。然而90％以上的換熱設(shè)備都存在不同程度的污垢沉積問題，結(jié)垢問題一旦發(fā)生，將給換熱器的運(yùn)行帶來很大影響。本文以流動特性分析為基礎(chǔ)，結(jié)合Kern-Seaton質(zhì)量平衡模型、馮卡門傳熱傳質(zhì)類比建立了螺紋管內(nèi)污垢分析的數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)值方法討論了螺紋表面幾何參數(shù)對換熱效果、流阻性能與污

2、垢特性的影響。
　　本論文主要工作如下:
　　(1)對8根不同幾何參數(shù)螺紋管的傳熱因子、摩擦系數(shù)等進(jìn)行數(shù)值研究，通過對湍流模型的優(yōu)劣比較與網(wǎng)格無關(guān)性驗證，解決了選取合適的計算模型以及網(wǎng)格尺寸等數(shù)值模擬的關(guān)鍵問題，進(jìn)而制定出詳細(xì)的數(shù)值模擬方案，將模擬結(jié)果與相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了論文所選取數(shù)值分析方法的準(zhǔn)確性。
　　(2)根據(jù)Kern-Seaton質(zhì)量平衡模型，結(jié)合馮卡門傳熱傳質(zhì)類比建立了傳熱表面污垢分析的數(shù)學(xué)模型。

3、基于提出的數(shù)學(xué)模型對螺紋表面換熱效果與污垢特性進(jìn)行模擬分析，并與相關(guān)污垢實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，本文所選取模擬方案與實驗結(jié)果誤差在±20％以內(nèi)，具有一定的工程實用價值。
　　(3)對螺紋管的主要特征參數(shù):螺紋形狀、頭數(shù)、升角、肋高等進(jìn)行了一系列的數(shù)值研究，采用基于相同泵功的強(qiáng)化因子η'，從強(qiáng)化傳熱的角度評估了各個幾何參數(shù)對管內(nèi)換熱效果與流阻性能的影響，并確定了本文所考慮的范圍內(nèi)最有利于強(qiáng)化換熱的螺紋參數(shù):螺紋形狀宜采用矩形、梯形與頂

4、端夾角較小的三角形;螺紋頭數(shù)Ns不宜過多，50左右最佳;螺紋升角α最宜為25°-35°;螺紋肋高e在本文考慮的范圍內(nèi)越大越好。
　　(4)由于污垢會嚴(yán)重威脅換熱設(shè)備的安全運(yùn)行，本文在考慮強(qiáng)化傳熱的基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)探究了螺紋管幾何參數(shù)對管內(nèi)結(jié)垢情況的影響，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)節(jié)距與肋高的比值p/e小于3.5時，將產(chǎn)生十分嚴(yán)重的結(jié)垢，因此，本文推薦選用p/e≥3.5的螺紋管以減輕結(jié)垢。此時，若Ns=50，α=25°，則可知肋高與管徑的比值e/