斜向流换热器强化传热及流动减阻机理研究

针对管壳式换热器这一热力系统中应有最为广泛的换热设备能耗较高的现状，着重解决换热器传热性能提升的同时伴随流体流动阻力大幅增加，以及现有数值模拟建模方法适用性不足两个突出难题。提出壳程流体"斜向流"的全新概念，探索壳程流体斜向流动对于换热器传热强化和流动减阻的作用机理，采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法，寻求基于壳程流体斜向流动的传热强化和流动减阻新途径，发展和创新壳程结构设计理念，研究开发新型高效节能换热设备，为提高我国工业节能降耗技术水平提供新技术和新装备；确立基于换热器真实实体模型的数值模拟建模新方法，在确保计算精度和大幅降低计算规模的前提下，实现在常规计算机硬件条件下，其他常用模拟建模方法未能较好解决的具有复杂壳程结构的大型管壳式换热器数值模拟，完善传热传质学基础研究方法，为新型高效节能换热设备研究及性能优化提供高效科学的辅助手段。

管壳式换热器是目前国内外换热设备的主要结构形式。本项目针对管壳式换热器能耗较高的现状，着重解决换热器传热性能提升的同时伴随流体流动阻力大幅增加，以及现有数值模拟建模方法适用性不足两个突出难题。在以下几个方面开展了研究工作：. （1）相对于壳程流体横向流、纵向流和螺旋流的流动状态，首次提出了壳程流体“斜向流”的新概念，并对管壳式换热器壳程典型流态进行了量化界定。壳程流体的倾斜流动状态，兼有壳程流体横向流动和纵向流动对于传热和阻降性能的双重优势，从而发展和创新了管壳式换热器壳程结构设计理念。. （2）研制开发了新型高效节能管壳式换热器－帘式折流片换热器，创新了换热器壳程的结构形式，实现了壳程流体的斜向流动。研究表明，帘式折流片换热器可明显减弱或消除壳程流体流动和传热死区，提高壳程流场的均匀性，有助于有效利用传热面积，降低壳程流体的压力损失；将换热器场协同原理引入到帘式折流片换热器的强化传热研究中，结果表明帘式折流片换热器具有良好的速度场和温度梯度场的协同性能，强化传热效果显著。. （3）考察了结构和操作参数对帘式折流片换热器传热与流阻性能的影响，进行了典型管壳式换热器传热与流阻性能对比实验，推导了壳程传热系数准数关联式和流体阻力降准数关联式，并界定了帘式折流片换热器壳程周期性充分发展区长度范围，为帘式折流片换热器工程设计和推广应用提供了参考依据。. （4）采用基于管壳式换热器真实三维实体模型的几何建模方案，首次提出了一种数值模拟管壳式换热器壳程流体流动和传热的三维建模方法－“管壳式换热器周期性全截面计算模型”，实现了具有复杂壳程结构的管壳式换热器的数值模拟。