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冷凝式换热器的对流换热研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 课题意义

1.2 冷凝式换热器简介及分类

1.2.1 冷凝式换热器简介

1.2.2 冷凝式换热器分类

1.3 冷凝式换热器的发展状况及研究现状

1.3.1 冷凝式换热器的发展状况

1.3.2 冷凝式换热器的研究现状

1.3.3 混合气体中含少量水蒸气的强化冷凝技术研究现状

1.4 本课题研究的主要内容、目的及方法

第2章 冷凝式换热器能效分析

2.1 冷凝式换热器热效率分析

2.1.1 影响换热器热效率的主要因素

2.1.2 提高换热器热效率的主要途径

2.2 冷凝过程中的换热

2.2.1 冷凝换热过程

2.2.2 影响冷凝传热的因素

2.3 本章小结

第3章 换热器建模及仿真

3.1 换热器建模及网格划分

3.1.1 换热器结构参数

3.1.2 建模及网格划分

3.2 数学模型

3.2.1 求解模型

3.2.2 定义材料属性

3.2.3 定义边界条件

3.3 求解方法

第4章 冷凝式换热器换热性能数值模拟分析

4.1 扁管材料及扁管分布对换热性能的影响

4.1.1 扁管材料的选取

4.1.2 扁管分布方式的选取

4.2 入口水的参数对换热性能的影响

4.2.1 水的流量对换热性能的影响

4.2.2 入口水温对换热性能的影响

4.3 入口烟气的参数对换热性能的影响

4.3.1 水蒸气的体积分数对换热性能的影响

4.3.2 烟气速度对换热性能的影响

4.4 隔热板的位置对换热性能的影响

4.5 冷凝段烟道优化

4.6 本章小结

第5章 热水器热工性能实验研究

5.1 实验系统及方案

5.1.1 实验系统

5.1.2 实验方案及步骤

5.1.3 理论数据计算及实验数据处理方法

5.2 实验结果分析

5.2.1 热效率与热负荷的关系

5.2.2 热水产率与热负荷的关系

5.2.3 热效率与排烟温度的关系

5.2.4 CO(a=1)排放浓度与热负荷的关系

5.3 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

冷凝式燃气热水器换热器与普通燃气热水器换热器相比,增加了一级冷凝装置,使烟气中的水蒸气在低于饱和温度下凝结,利用了水蒸气释放的潜热,降低了排烟温度,热效率得以提高,同时烟气中的CO2、NOx、SO2等酸性气体溶于冷凝水使得烟气得到净化,达到高效环保的目的。
   本文以燃气热水器中螺旋扁管结构的冷凝式换热器为研究对象,应用计算流体力学(CFD)的方法,使用前处理软件Gambit建立冷凝式换热器三维物理模型并对模型进行网格划分,通过编译水蒸气的凝结传热传质用户自定义程序(UDF),使用FLUENT多相流模型对换热器耦合传热传质求解,得到流场的温度分布、压力分布、速度分布以及换热系数、换热效率和冷凝效果等。最后对冷凝式换热器的热工性能进行了实验研究,测试在不同参数下的热效率。在数值计算前,对换热器的能效进行了分析,并分析了烟气的物性及各个运行工况对换热器热工性能的影响,介绍了对耦合换热壁面的处理、对水蒸气冷凝的处理、边界条件和材料属性的设置、求解模型及方法。在数值仿真时考虑不同扁管排布及扁管材料、入口水的参数、入口烟气参数、隔热板的位置对换热器换热性能的影响,并对冷凝段的烟道结构进行了优化。
   数值仿真结果表明:紫铜管和铝管换热器总换热系数要稍高于不锈钢管,在安全壁厚条件下,可通过减薄不锈钢管的壁厚来达到紫铜管和铝管相同的换热系数,且经济性较好;扁管的排布对水的进出口压差影响很大,而对换热性能、冷凝效果影响较小。相比水的流量,入口水温对热效率影响更明显;水流量的增加及入口水温的降低,导致水流整体温度的降低,出现更多低于烟气露点温度的位置,即发生冷凝的面积增加,释放更多的潜热量,提高了冷凝率及热效率。烟气的速度增大时,减小了烟气与管壁之间的显热交换时间,烟气中显热利用不充分,排烟损失所占热负荷比例增大,换热效率下降及冷凝效果下降。隔热板的位置改变了高温段与冷凝段的换热面积和烟气的流动,对热效率及冷凝效果影响显著。烟气中水蒸气的体积分数增大,使得水蒸气的分压上升,冷凝更容易,冷凝率有增大趋势,潜热量占热负荷的比例增大,换热效率上升明显。冷凝段烟道的结构对换热系数有一定的影响,当倒角角度取15°时,不存在涡流停滞区,换热系数更高。

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