太阳能热水器系统蛇管式换热器仿真分析

【摘要】：太阳能热水器作为一种集合环保、节能、经济和安全于一体的绿色高效的能源设备,是太阳热能利用技术中最为成熟、应用最为广泛、产业化发展速度最快的领域。同时,换热器作为太阳能热水器的内部核心部件,在能源日益匮乏的今天,通过优化设计来节约能源意义重大。蛇管式换热器是一种在石油化工产业中得到广泛应用的换热设备,对蛇管尺寸和换热参数进行优化设计,可提高换热效率,优化换热结果。 本论文在研究蛇管式换热器换热过程中突破了前人对换热器分析时集中于数学理论模型分析计算的局限,对换热器模型进行适当的简化,建立了包括换热器承压水箱、蛇管在内的蛇管式换热器三维实体有限元模型。在此基础上,分析了换热器内部的温度场分布,分析了影响换热器换热结果的影响因素,并选取了三个影响换热器换热效果的关键因素——蛇管材料、蛇管盘绕直径和蛇管盘绕节距,对不同工况下换热器换热过程和结果进行分析,以验证蛇管式换热器的最佳设计方案。 通过温度场分析得到蛇管式换热器内部温度分布规律为：水箱内靠近进水口和出水口位置的水温较低,蛇管周围特别是远离水箱进出水口位置的水温较高,高于60。C。水箱内部大部分水温已经超过40。C,只有靠近水箱壁周围的水温较低,在35-40。C之间。水箱内部水温基本满足换热器热水使用要求。 通过对不同结构的换热器换热结果的分析表明：①考虑到生产成本和生产工艺等方面因素,不锈钢材质的蛇管换热器换热效果要比铜管和铝管的好；②在 一定范围内,蛇管盘绕直径增大,水箱水温反而降低,超出这个范围水箱水温随着蛇管盘绕直径的增大而增加。确定蛇管盘绕直径时,应综合考虑换热效率和结构布置、生产成本等多方面的因素。③水箱水温随着蛇管盘绕节距的增大而增大。但是水温的增幅却明显减小。 本文通过对蛇管式换热器的有限元仿真,找到了一种对换热结果优化设计的 一种便捷方法,对换热器的优化设计具有一定的参考价值。 【关键词】：蛇形管 换热器 有限元仿真 温度场分析
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK515
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 概论9-17
• 1.1 课题来源9
• 1.2 论文选题的目的及意义9-10
• 1.3 有关研究领域的历史、现状和前沿发展情况10-15
• 1.3.1 换热器的发展历史10-12
• 1.3.2 换热器的研究现状和发展趋势12-14
• 1.3.3 目前存在的问题14-15
• 1.4 本课题的主要研究内容15-17
• 1.4.1 设备的特点和研究的模型15-16
• 1.4.2 主要研究的内容16-17
• 第2章 蛇管式换热器三维有限元模型的建立17-34
• 2.1 计算流体力学及SolidWorks Flow Simulation简介17-24
• 2.1.1 计算流体力学的基本原理17-18
• 2.1.2 计算流体力学的工作步骤18-19
• 2.1.3 计算流体力学的一般求解过程19-23
• 2.1.4 有限元数值分析的方法简介23
• 2.1.5 SolidWorks Flow Simulation软件介绍23-24
• 2.2 分析项目描述及模型简化24-25
• 2.3 换热器的主要工艺参数、材料特性和单元类型25-28
• 2.3.1 换热器的工艺参数25-27
• 2.3.2 换热器的材料特性27
• 2.3.3 采用的单元类型27-28
• 2.4 几何模型和有限元模型的建立28-31
• 2.4.1 换热器的几何模型28-29
• 2.4.2 换热器的有限元模型29-31
• 2.5 载荷和边界条件31-33
• 2.5.1 有限元分析中载荷的考虑31-32
• 2.5.2 换热器的载荷和边界条件32-33
• 2.6 小结33-34
• 第3章 蛇管式换热器温度场分析34-42
• 3.1 温度场计算模型的选择34-38
• 3.1.1 传热学基础理论34-36
• 3.1.2 热分析方式的确定36-38
• 3.2 温度场的加载和求解38-41
• 3.2.1 载荷和边界条件38-39
• 3.2.2 求解39-41
• 3.3 温度场的结果分析41
• 3.4 小结41-42
• 第4章 不同工况下蛇管式换热器温度场分析42-51
• 4.1 蛇管材料对换热器换热结果的影响42-45
• 4.2 蛇管盘绕直径对换热器换热结果的影响45-47
• 4.3 蛇管盘绕节距对换热器换热结果的影响47-50
• 4.4 小结50-51
• 第5章 结论与展望51-54
• 5.1 蛇管式换热器仿真分析的结论51
• 5.2 论文的贡献与创新点51-52
• 5.3 展望52-54
• 致谢54-55
• 参考文献55-56

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