螺旋板式换热器数学模型的建立与模拟

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1 1 2数学模型的提出
本文重点介绍螺旋板式换热器的数学模拟与优化设计。所谓模拟,是为了研究 比较复杂的系统A的性能,可以利用比较简单、经济而性能相似的系统B来模仿 系统A的性能。系统B称为系统A的模型。所谓数学模拟,是指建立系统A的数 学模型(数学方程组),并在计算机上求解,从而描述系统A的性能。实际上,数 学模拟也可称之为数学试验,例如:对某一类型换热器,通过几何分析和传热分析 可以建立数学方程组(代数方程/微分方程),当给定冷、热物流的输入数据及换热 器型号时,在计算机上求解该数学方程组,就可以得到冷、热流体在换热器中的温 .度分布、传热系数和流动阻力等信息,供设计或生产分析参考使用。改变不同的输 入数据在计算机上求解,能够得到该换热器更全面的性能,这比用实际设备及流动 介质作实验要方便和经济得多。
外管为液体200600液体对液体3001400液体对液体7002500蒸汽对蒸汽9003500螺旋板换热气体对气体lbarlo35气体对液体2060管外为冷水或盐水管内为气体ibar管外为2060冷水管内为高压气体200300bar150500管外为冷水或盐水管内为液体200700管外为冷水或盐水管内为冷凝蒸汽350900蛇管冷却器东北大学硕士论文对流换热系数的实验测定表22换热器中一些流体的污垢热阻m蒸馏水0000l海水低于325k00001高于325k00002处理过的锅炉给水00002自来水或井水低于325k00002高于325k000035致冷液体00002致冷蒸汽000035汽油有机蒸汽00001燃料油00009水蒸汽0000l业空气00003523对流换热系数采用些关联式可以近似计算出给定条件下的对流
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绪论
1.1本课题的目的及意义
换热器是一种十分重要的节能设备,在不同的生产工艺条件下需要不同种类 的换热器,换热器的种类很多,不论何种换热器,它的传热量应该大,而消耗于输 送流经换热器的流体的功率要小,一般密度大的流体,在传热量一定时,功率消耗 相对较小;密度小的流体则相反,对于许多种流道,传热率与流体在流道中流速近 .f一次方关系,而功率消耗则与流速为三次方关系,因此,在设计某种高效而体积 又小的新结构换热器时,应很好地同时处理传热率和功率消耗的关系,例如:对于 某种应用场合,压力损失过大,设计者可以通过增加流道数目来降低流速,减少压 力损失。这也将使传热率下降,但它的下降,远小于阻力下降或功率消耗的下降, i而传热量不足部份可以通过增加传热面积来补充。传热面积的增加虽然会使压力降 增加,但是这一增加量将远小于流速增加时压力损失的增加量。所以总的结果是通 过增加传热面积和重新布置流道,在传热量保持不变的条件下实现阻力的减小。
model,numerical to solve the present model is discussed briefly.According to the
simulations associated with a swirl slab heat exchanger,which type is 16T120—
kinds of calculation values and the practical measurement values were compared and
analyzed via computer.
On the basis of comparison and analysis.The fluid temperature of calculation is
对换热器进行数学模拟,主要包括三方面工作,一是建立数学模型,二是选择 求解数学模型的计算方法,三是搜集、整理有关换热器介质的热力学及物理性质数 据。本文系统地研究了螺旋板式换热器,介绍换热器数学模型的建立和用计算机求 解的过程,并附有工程实例。
1.2螺旋板式换热器的基本构造和工作原理
螺旋板式换热器的构造包括螺旋形传热板、隔板、头盖、连接管等基本部件(见 图1—1及图1-2),其具体结构因型式不同而异。各种型式的螺旋板式换热器均 包含由两张厚约2-6ItEm的钢板卷制而成的一对同心圆的螺旋形流道(见图l一1), 中心处的隔板将板片两侧液体隔开,冷、热两流体在板两侧的流道内流动,通过螺 旋板进行热交换。
东北大学 硕士学位论文 螺旋板式换热器数学模型的建立与模拟 姓名:刘燕 申请学位级别:硕士 专业:热能工程 指导教师:边华
2000.9.1
摘要
(换热器在应用方面,一直把节能、优质、高效放在首位,虽然近年来应用

计算机数学模拟方法对换热器进行了细致的研究,并取得了许多优秀的成果,
但是,对于节能非常重要的紧凑式换热器的数学模型的研究尚感欠缺:、/
1.1.1螺旋板式换热器的突出优点
螺旋板式换热器是一种由螺旋形传热板片构成的换热器,它具有下列突出的优
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点:
1.传热强度高 由于流体在螺旋形流道内的流动所产生的离心力使流体在流道内外侧之间形成
二次环流,增强了扰动,使流体在较低雷诺数下(Re=1400~]800,甚至为500时) 就形成了湍流,并且因为流动阻力比较小,流速可以提高(螺旋板式换热器允许的 设计流速,对液体一般为2m/s,对气体一般为20m/s,因而螺旋板式换热器中传热 系数K值能成倍提高)。可比管壳式提高0.5~l倍以上。 2.结构紧凑,由于传热面为螺旋板,板间距离较窄,传热系数较高,使它们紧凑 性达到100[m2/m21,约为管壳式的2倍。 3.流体的流动阻力小
关键词:
螺旋板式换热器,数学模型,
传热方程,
物性参数。
ABSTRACT
In the application of a heat—exchanger,fuel saving,high quality and high
efficiency are put in the first place.These years the heat‘exchanger has been investigated in detail by the means of computer numerical simulations and many achievements were obtained;however,close arranged heat exchanger and its numerical simulations,which are very important for fuel economy,have been
进行了比较和分析。
通过比较、分析表明,运用本文的数学模型求解所得的流体温度等数据与
实验数据吻合较好。另外,在建模过程中为求解对流换热系数关联式引入了一
种非常好的实验数据处理方法一改进的威尔逊标绘法。

}总之,螺旋板式换热器数学模型的建立,为换热器的优化设计提供了理论
依据,同时实现了换热器设计计算的程序化。、、 、一\
1.2/1400·10.After calculation,The distribution of fluid temperature along the fluid
tube,the value of heat effect£and the value of NTU can be given.The various
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根据流体在流道内的流动方式不同,螺旋板式换热器可分为I、1I、III三种型
式,常见的为I、II型。
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隔板
传热板
需要指出的是,工程应用上尚要求换热器具有较小的体积,即要“紧凑”,这 一一个问题对于某些传热性能差的流体之间的换热,如气一气热交换器尤为突出,因 为为了保持传热量不变,传热面的增加将导致换热器的体积庞大,如以同样的传热 量和功率消耗为比较条件,则气一气换热器的传热面积通常要比液一液换热器大10 倍左右,因而,提出了在增加传热面积的同时,如何减少换热器体积的增大的问题, 经过多年研究,逐渐形成了紧凑式换热器。
character ofthe heat--exchanger designing calculation is realized.
Key words:Swirl slab heat--exchanger.
Mathematics model.
Heat transfer equation.
Parameters ofphysics character.
在紧凑式换热器中,单位体积所包含的传热面积较其它形成的换热器大得多, 为了衡量换热器的紧凑程度,常应用一个指标一一“紧凑性”,紧凑性是指换热器 的单位体积中所包含的传热面积大小,单位为[m2/m3],构成紧凑式换热器的关键 是要具有紧凑的传热表面,它可以通过使用二次表面来形成。本课题所要研究的就 是紧凑式换热器中的典型一一螺旋板换热器。
paper.In this thesis,a mathematics model is developed in detail.Based on the
principle of geometry and the theory of heat transfer.The computation method used
reported in the literature.
Some structure quantity and some designing calculation methods of the typical
close arranged heat exchanger。——swirl slab heat exchanger are presented in this
5.不易污塞
由于在螺旋板式换热器中流体是单通道流动,它的允许流速又较其它类型的换 热器高,所以污垢不易沉积,一旦通道某处沉积了污垢,该处的流道面积就减小, 流体在该处沉积的局部流速相应提高,使污垢较易被冲刷掉,起到了“自洁”的作 用。在管壳式中,如果一根管子有污垢积存,该处局部阻力增大,流体就向其它传 热管分配,使换热器内每根管子的阻力重新平衡,原已沉积了污垢的管子中流体的 流速将越来越低,也就越易积存而可能导致堵死。据统计,螺旋板式换热器的污塞 速度大约是管壳式的1/10。
螺旋板式换热器中流动阻力主要产生于流体与螺旋板的摩擦上,而且流速的提 高虽使得阻力增加但传热效果也得到改善。在管壳式中,流体常要作180。的大转 向流动,使得阻力增加很多,但并不改善传热,所以,我们认为螺旋板式换热器能 更有效地利用流体的压力损失。 4.能有效利用低温热源,精密控制温度
螺旋板式换热器具有两个较长的均匀通道,液体在里面可以被均匀地加热和冷 却,所以有助于精密控制流体出口温度,又由于螺旋板式换热器两流体在通道中可 达到纯逆流,使对数平均温差比顺流时大,有利于回收低温热能,现在我国使用的 两流体间最小温度差为3"C。
6.结构可靠 螺旋板式换热器的流道多为焊接密封,只要保证焊接质量就可以保证冷、热
两流体之间不会发生内漏。此外,螺旋卷曲的板在受热和冷却时伸张和收缩的性能
查i!盔堂堡主堡塞————————————————————————————』要!!一 较好,不会造成很大的内应力。 7.制造简单,材料利用率高
与其它类型换热器相比,制造工时最少,机械加工量少,制造成本低,只要有 专用的卷床设备,比管壳式的制造要方便得多,它主要消耗板材,用它来代替管壳 式可以节省无缝钢管,所以这一点对我国也有其现实意义。

本文综合介绍了紧凑式换热器中的典型一螺旋板式换热器的结构优点及设
计计算方法,利用其几何学原理及传热学原理建立了数学模型,简略讨论了求解
的方法及过程,利用这一模型,本文对型号为16T120—1.2/1400—10的螺旋板换热
器进行了模拟,通过计算得到了流体沿通道的温度分布曲线以及传热效率\与传

热单元数的关联等信息,辅助以计算机程序对各种计算方法所得结果与实测结果
transfer connection.which will be used in the mathematics model.
numerical The
simulations of swirl slab heat exchanger offers the theoretical
basis to optimize heat--exchanger designing,at the same time the programmable
close to the one of experiment.Additionally,a good data dealing method--modified
wilson method is introduced for the calculation of coefficients in the equation of heat
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