縱流管殼式換熱器的計算優(yōu)化與實驗研究.pdf

1、在結(jié)合世界提高能量利用率，減少碳排放量，降低溫室效應(yīng)的國際大環(huán)境，和中國工業(yè)產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性調(diào)整，減少單位GDP的碳排放量的小環(huán)境中，發(fā)展節(jié)能減排技術(shù)不僅有利于民生，也符合中國貫徹的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略部署。管殼式換熱器作為重工行業(yè)中最耗能耗材的設(shè)備之一，其強化傳熱技術(shù)一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。如何提高換熱器的傳熱效率，減少壓降，延長其使用壽命，如何指導(dǎo)開發(fā)新型換熱器，以及如何實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計對實現(xiàn)節(jié)能減排目標有著重要意義。
　　本文對折流桿管

2、殼式換熱器進行了研究，總結(jié)了數(shù)值模擬方法，并利用單元模型、周期性模型、多孔模型和整體模型對于折流桿換熱器進行建模，提供了模型選取標準，并利用實驗方法對數(shù)值模擬進行了驗證，結(jié)果顯示：一般情況下，單元模型不能計算換熱器壓降，但可以粗略計算換熱器傳熱性能。當換熱器數(shù)量較多時，單元模型能夠精確計算傳熱性能；周期性模型也不能計算換熱器壓降，但可以精確預(yù)測換熱器的傳熱性能，對于殼程長度直徑比越大的換熱器，該模型計算精度越高；多孔模型能夠精確計算換熱

3、器的傳熱和流動特性，但是多孔模型需要有經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的存在，同時多孔模型需要添加多項自定義函數(shù)從而對控制方程進行修改，其數(shù)值計算過程較為復(fù)雜；整體模型能精確地計算換熱器流動和傳熱性能，而且可以使用于所有上述三種簡化模型不能使用的場合，但其對計算機資源的要求較高，求解過程較為耗時。基于研究內(nèi)容和結(jié)果，本文提出了一種根據(jù)不同情況采用不同模型的標準，對數(shù)值模擬研究具有一定指導(dǎo)意義。
　　本文基于最小耗散原理的強化傳熱優(yōu)化理論，核心流強化傳熱

4、原理，和多場協(xié)同原理，對換熱器對流過程進行了分析，理論推導(dǎo)了可用勢在管殼式換熱器中的變化。對于換熱器中管側(cè)來說，將換熱過程不可逆耗散與管內(nèi)流動功耗作為目標函數(shù)和約束條件對換熱器進行優(yōu)化，得到了管內(nèi)單渦或多渦結(jié)構(gòu)的縱流流場?；诖死碚摫疚脑O(shè)計了螺旋偏心管，并將其應(yīng)用到了管殼式換熱器，消除了折流板等部件實現(xiàn)了殼程自支撐?；诒疚奶岢龅臉藴剩谜w模型對換熱器的管程和殼程進行數(shù)值模擬，并與折流桿換熱器進行了對比。結(jié)果顯示在相應(yīng)的雷諾數(shù)區(qū)間內(nèi)

5、，螺旋偏心管管程傳熱性能和阻力因子同時提高，管程性能評價系數(shù)為1.5~2.1，而殼程傳熱性能減弱了14.6~24.9％，壓降減少了32.7~35.8%，殼程性能評價系數(shù)為0.9～0.95，因此總的來說，該新型換熱器的整體綜合傳熱性能大幅度增加。另外螺旋偏心管換熱器管內(nèi)呈螺旋流，管外整體縱向流動，因此該換熱器抑制污垢能力較強，而且能減少流體誘導(dǎo)振動，具有良好的應(yīng)用特性。另外文本結(jié)合了折流桿換熱器和整圓板換熱器的優(yōu)點，設(shè)計出了一種新型整圓板

6、管殼式換熱器并與折流桿換熱器進行了對比，結(jié)果顯示，在雷諾數(shù)從5000到14,000的區(qū)間內(nèi)，該新型換熱器傳熱性能增強了28.4~38.7%，壓降增加了39.5~49.7%，殼程性能評價系數(shù)為1.15～1.22，更重要的是，該換熱器折流珊結(jié)構(gòu)和加工工藝簡單，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
　　本文提出了一種基于構(gòu)形理論的換熱器優(yōu)化設(shè)計方法，將一個整體換熱器看作是并聯(lián)和串聯(lián)的子換熱器構(gòu)成，對其約束方程和目標函數(shù)建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，利用遺傳

7、算法來對管殼式換熱器進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果顯示，相比于文獻中的優(yōu)化設(shè)計方法，該新型設(shè)計方法能擴大最優(yōu)解范圍，在實現(xiàn)目標函數(shù)最大化或者最小化方面有著巨大優(yōu)勢。同時，該新型換熱器優(yōu)化設(shè)計方法在數(shù)學(xué)建模和求解過程較為復(fù)雜，可以將之簡化成串聯(lián)法和并聯(lián)法。本文以串聯(lián)法為例，對管殼式換熱器進行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果顯示簡化后的設(shè)計方法所設(shè)計的方案依然比文獻中的設(shè)計方案要好。另外本文從可用勢定義出發(fā)，推導(dǎo)了換熱器整體可用能損失的表達式，并利用遺傳算法以管殼式換