**本论文获国家自然科学基金项目“储能和碳捕集的燃气蒸汽混合工质循环的基础研究”(51776035)资助。

  本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所

  知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,

  也不包含为获得东南大学或其它教育学习管理机关的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的对本

  东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电

  子文档,能够使用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相

  一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布,包括以电子信息形式刊登,

  论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布,包括以电子信息形式刊登,授权东南大

  纵流式双侧流动的空心管电加热器传热性能模拟硕士研究生,梅贤智导师,**平

  双侧流动的空心管电加热器是针对传统的U型管电加热器进行改进的依靠传热管本身作为发热元件来加热流体一种新型方案。传统的电加热器只有加热芯的外部参与对流体加热,而空心管电加热器,充分的利用了管内外的加热空间,增加了流体的换热面积。原有设计的空心管电加热器的管外采用整圆支撑板,仅靠壳体与支撑板的环形间隙流动,支撑板之间有流动死区。本文提出并研究了在支撑板上开孔的改进方案,在支撑板上均匀分布导流孔,使壳侧变为纵向流动,消除了流动死区。

  本文首先建立了无孔支撑板方案、有孔支撑板的逆流、顺流和分流方案四种形式的纵流式双侧流动空心管电加热器的物理及数学模型。采用ANSYSICEM完成模型网格的绘制,用软件FLUENT进行数值模拟计算,并采用可视化后处理分析软件TECPLOT对计算结果进行云图及流动分析。重点分析了壳侧压降、壳侧传热系数、壳侧综合指标、加热管壁面平均温度以及加热器整体压力场与速度场分布等主要性能参数。经过对比四种方案的计算结果,最终得出其中流动与传热性能最佳的方案。数值模拟根据结果得出顺流与分流两种方案能减小固定管板两侧流体的温差,降低管板的热应力,可延长设备的常规使用的寿命。在相同的条件下,分流方案的电加热器具有最高的综合指标以及最低的壳侧压降,其平均壳侧换热系数和综合指数ho·Δpo-1以及ho·Δpo-1/3分别比无孔方案高33.4%和136.2%和61.5%,平均压降和管壁温度分别比无孔方案低43.6%和21K。此外,它还能减小固定管板两侧的温差热应力。

  其次,在对无孔、逆流、顺流和分流四种形式的性能研究基础上,研究了改变电加热管管径对电加热器性能的影响。改变电加热管外径分别为24mm、25mm、26mm,设计了12种电加热器方案,并对该12种方案进行数值模拟,根据结果得出,在研究范围内,随着电加热管管径的增加,四种结构及形式的电加热器方案的壳侧换热系数均会降低,壳侧综合指标ho,ΔPo-1和ho,ΔPo-1/3都随着管径的增加而增加。因此在管中心距不变条件下,适当增加电加热管的管径,可以轻松又有效的提高电加热器的流动与传热性能。通过观察变管径的12种电加热器方案的速度场、压力场、温度场等云图可知,随着电加热管管径的增加,电加热管管内流体的流速有了明显的下降,壳侧流速有了某些特定的程度的上升,有效的增加了壳侧的扰动,起到了强化传热的作用,提高了壳侧换热系数。同时,随着电加热管管径的增加,因在壳侧空间和在支撑板孔处的流动截面差减小,壳侧压降有微量降低,在某些特定的程度上优化了壳侧流动与传热性能。壳侧温度场的表现虽不明显,但是根据计算结果的数据可知,电加热管外壁面的温度随着管径的增加而下降,且最高温度也会降低,对电加热器的常规使用的寿命有一定的提升。

  第三,进一步研究了开孔支撑板的孔径和无孔支撑板的外径对电加热器流动与传热性能的影响。设计了开孔支撑板孔径为14mm、15mm、16mm的9种变孔径方案以及无孔支撑板的外径为119mm、120mm、121mm的3种变支撑板外半径方案。改变支撑板孔径或外径的方案意味着通过各支撑板的流动截面大小,数值模拟结果为,随着支撑板孔径的增加或者支撑板外半径的减少,四种结构及形式的电加热器方案呈现出壳侧换热系数下降,壳侧压降大幅度下降的结果,最后导致综合指标ho,ΔPo-1和ho,ΔPo-1/3随着支撑板孔径的增加或者支撑板外半径的减少而呈现出上涨的趋势。因此可知,适当增加支撑板孔径或者减少支撑板外半径能大大的提升本文中电加热器的流动与传热综合性能。

  通过对比变管径方案与变孔径方案可知,变孔径方案对壳侧压降的影响优于变管径方案,而在壳侧换热系数的影响上弱于变管径方案。虽然综合指标ho,ΔPo-1和ho,ΔPo-1/3随着该两参数的变化均呈正向上涨的趋势,但变管径方案比变截面方案表现更强。

  **本论文获国家自然科学基金项目“储能和碳捕集的燃气蒸汽混合工质循环的基础研究”(51776035)资助。

  本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所

  知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,

  也不包含为获得东南大学或其它教育学习管理机关的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的对本

  东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电

  子文档,能够使用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相

  一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布,包括以电子信息形式刊登,

  论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布,包括以电子信息形式刊登,授权东南大

  纵流式双侧流动的空心管电加热器传热性能模拟硕士研究生,梅贤智导师,**平

  双侧流动的空心管电加热器是针对传统的U型管电加热器进行改进的依靠传热管本身作为发热元件来加热流体一种新型方案。传统的电加热器只有加热芯的外部参与对流体加热,而空心管电加热器,充分的利用了管内外的加热空间,增加了流体的换热面积。原有设计的空心管电加热器的管外采用整圆支撑板,仅靠壳体与支撑板的环形间隙流动,支撑板之间有流动死区。本文提出并研究了在支撑板上开孔的改进方案,在支撑板上均匀分布导流孔,使壳侧变为纵向流动,消除了流动死区。

  本文首先建立了无孔支撑板方案、有孔支撑板的逆流、顺流和分流方案四种形式的纵流式双侧流动空心管电加热器的物理及数学模型。采用ANSYSICEM完成模型网格的绘制,用软件FLUENT进行数值模拟计算,并采用可视化后处理分析软件TECPLOT对计算结果进行云图及流动分析。重点分析了壳侧压降、壳侧传热系数、壳侧综合指标、加热管壁面平均温度以及加热器整体压力场与速度场分布等主要性能参数。经过对比四种方案的计算结果,最终得出其中流动与传热性能最佳的方案。数值模拟根据结果得出顺流与分流两种方案能减小固定管板两侧流体的温差,降低管板的热应力,可延长设备的常规使用的寿命。在相同的条件下,分流方案的电加热器具有最高的综合指标以及最低的壳侧压降,其平均壳侧换热系数和综合指数ho·Δpo-1以及ho·Δpo-1/3分别比无孔方案高33.4%和136.2%和61.5%,平均压降和管壁温度分别比无孔方案低43.6%和21K。此外,它还能减小固定管板两侧的温差热应力。

  其次,在对无孔、逆流、顺流和分流四种形式的性能研究基础上,研究了改变电加热管管径对电加热器性能的影响。改变电加热管外径分别为24mm、25mm、26mm,设计了12种电加热器方案,并对该12种方案进行数值模拟,根据结果得出,在研究范围内,随着电加热管管径的增加,四种结构及形式的电加热器方案的壳侧换热系数均会降低,壳侧综合指标ho,ΔPo-1和ho,ΔPo-1/3都随着管径的增加而增加。因此在管中心距不变条件下,适当增加电加热管的管径,可以轻松又有效的提高电加热器的流动与传热性能。通过观察变管径的12种电加热器方案的速度场、压力场、温度场等云图可知,随着电加热管管径的增加,电加热管管内流体的流速有了明显的下降,壳侧流速有了某些特定的程度的上升,有效的增加了壳侧的扰动,起到了强化传热的作用,提高了壳侧换热系数。同时,随着电加热管管径的增加,因在壳侧空间和在支撑板孔处的流动截面差减小,壳侧压降有微量降低,在某些特定的程度上优化了壳侧流动与传热性能。壳侧温度场的表现虽不明显,但是根据计算结果的数据可知,电加热管外壁面的温度随着管径的增加而下降,且最高温度也会降低,对电加热器的常规使用的寿命有一定的提升。

  第三,进一步研究了开孔支撑板的孔径和无孔支撑板的外径对电加热器流动与传热性能的影响。设计了开孔支撑板孔径为14mm、15mm、16mm的9种变孔径方案以及无孔支撑板的外径为119mm、120mm、121mm的3种变支撑板外半径方案。改变支撑板孔径或外径的方案意味着通过各支撑板的流动截面大小,数值模拟结果为,随着支撑板孔径的增加或者支撑板外半径的减少,四种结构及形式的电加热器方案呈现出壳侧换热系数下降,壳侧压降大幅度下降的结果,最后导致综合指标ho,ΔPo-1和ho,ΔPo-1/3随着支撑板孔径的增加或者支撑板外半径的减少而呈现出上涨的趋势。因此可知,适当增加支撑板孔径或者减少支撑板外半径能大大的提升本文中电加热器的流动与传热综合性能。

  通过对比变管径方案与变孔径方案可知,变孔径方案对壳侧压降的影响优于变管径方案,而在壳侧换热系数的影响上弱于变管径方案。虽然综合指标ho,ΔPo-1和ho,ΔPo-1/3随着该两参数的变化均呈正向上涨的趋势,但变管径方案比变截面方案表现更强。