换热器内螺旋弹性管束流致振动强化传热特性研究

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弹性管束换热器利用流体诱导弹性管束振动实现无源强化传热。传统平面弹性管束受其结构特点的影响,换热器内单位体积内换热面积较小、综合传热性能低,使得换热器的总体效能不佳。据此,本文提出了一种螺旋弹性管束换热器,采用双向流固耦合计算方法,结合粗算加精算的计算策略,系统研究了管束结构参数和流体流动参数对螺旋弹性管束振动响应及传热特性的影响;通过对螺旋弹性管束换热器进行结构改进(增设中空管及折流板),以期获得具有更优传热性能的换热设备。具体工作归纳如下:(1)基于现有弹性管束换热器有效利用流体诱导振动实现强化传热的设计理念,结合传统管壳式换热器和套管式换热器的结构特点,以微型化、轻量化和紧凑化为基本设计准则,提出了一种螺旋弹性管束换热器,使其具有高效、可靠、灵活的特点。(2)建立了螺旋弹性管束及其均匀壳程流体域的几何模型,利用场协同理论分析了壳程流体诱导螺旋弹性管束振动实现强化传热的内在机制,系统研究了管束结构参数和流体流动参数对螺旋弹性管束振动响应的影响。研究表明,一个振动周期内场协同水平提高了6.38%,螺旋弹性管束的振动主要表现在重力方向,管束中段振动较为剧烈。管束螺旋直径及壳程入口流速增加会提高管束振动的幅值,但不影响振动的频率,而管束圈数和管束数量增加会增大管束振动的幅值,减小振动的频率。(3)基于管束振动响应的分析及振动强化传热内在机制的分析,系统研究了管束结构参数和流体流动参数对螺旋弹性管束传热特性的影响。研究表明,增大管束螺旋直径可改善管束传热性能,增多管束螺旋圈数及管束数量会降低管束的传热性能,但管束振动强化传热性能提高。管束螺旋圈数为5、7和9时,流致振动使管束传热性能分别提高了1.93%、3.40%和3.59%,换热器的PEC值分别为1.0258、1.0366和1.0370。壳程入口流速在0.1~0.7 m/s范围内递增时,流致振动使管束的传热性能分别提高了0.38%、0.89%、1.93%及13.65%,换热器的综合传热效果也更好。(4)通过对螺旋弹性管束换热器进行结构改进(增设中空管及折流板),以期获得具有更优传热性能的换热设备。研究表明,换热器内螺旋弹性管束由单层增加到双层后,两层管束反向螺旋时,流致振动强化传热效果更好。换热器内增设中空管及折流板后,管束振动强度及传热性能均提高,流致振动使管束的传热性能分别提高了7.46%和6.41%,换热器的PEC分别提高了5.49%和7.35%。换热器内增设中空管及折流板是提高螺旋弹性管束换热器传热性能行而有效的措施。图[65]表[11]参[103]
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