再沸器壳程沸腾传热的数值模拟与理论研究

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对于国家的节能政策以及工业的高效节能技术来说,换热器及其相关技术十分重要,其传热性能直接影响到能源利用率。在工业生产中,再沸器作为换热器的一种在化工、石油、能源等领域被广泛地采用,是必要的设备。再沸器工作的主要原理为壳程沸腾传热。沸腾传热是通过汽泡的生成、长大、脱落实现的对流传热。沸腾传热是一种相变传热,与无相变传热相比传热效率更高,正因如此使得沸腾传热成为了研究热点。但关于壳程沸腾传热模拟的研究并不多见,且大多集中在单相流动研究,主要原因是不完全成熟的多相流理论和相对复杂的传热使得再沸器模拟研究变得困难,特别是涉及到相变时,多相流模拟仿真变得愈加困难。为了研究再沸器壳程沸腾传热的流动与传热特点,获得切合实际的壳程循环流动与传热数据,本文着重于对基本尺寸的釜式再沸器壳程研究分析,开展了以下工作:对沸腾传热的由来、发展及机理进行简要介绍,同时阐述了气液两相流型以及数值模拟计算模型。对Fluent中欧拉模型做了详细的说明,并且就RPI模型做详细介绍,为下文的数值模拟提供必要的理论基础。建立单根换热管外壳程流体模型并进行网格划分与数值模拟,分析了沿换热管轴线方向体积含气率的变化规律,以及不同热通量、入口速度、入口温度、换热管壁面结构对体积含气率以及传热系数的影响。最后再建立两根、三根换热管外壳程模型进行数值模拟,分析不同管数对出口截面体积含气率与传热系数的影响。建立基本尺寸的釜式再沸器壳程流体模型,采用Realizable k-ε湍流模型、欧拉多相流模型,得到水蒸气体积分数云图、温度云图、密度云图等分布图,通过这些结果图阐述了壳程对流传热的特点和性能。结果证明随着热量的不断介入,水蒸气流动方向主要为垂直向上,最终离开汽化空间。同时还得到了再沸器壳程的沸腾传热系数。利用Aspen Plus软件中EDR程序对该再沸器进行模拟,进一步验证了Fluent模型的正确性。整理经典通用的沸腾传热关系式对釜式再沸器壳程沸腾传热系数进行理论计算,通过比较Fluent与Aspen Plus的计算结果证明改良Mostinski公式计算结果最为准确。为后续再沸器壳程沸腾传热系数的计算提供了理论基础。
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