螺旋纏繞管換熱器流動傳熱性能研究.pdf

1、螺旋纏繞管換熱器由于其高效緊湊、不易結(jié)垢等優(yōu)點在石化行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。本文以水為工質(zhì)，通過實驗驗證螺旋纏繞管換熱器數(shù)值計算方法的可靠性和準(zhǔn)確性，利用已驗證的數(shù)值計算方法對研究較少的螺旋纏繞管換熱器殼程進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化研究，并對其整體耦合流動傳熱進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化研究。為進(jìn)一步提高其傳熱性能，結(jié)合波節(jié)管強(qiáng)化傳熱的機(jī)理提出了一種新型螺旋纏繞管換熱器，并分析其換熱管強(qiáng)化傳熱機(jī)理。本文的主要內(nèi)容及結(jié)論如下：
　?。?）確定了螺旋纏繞管換熱

2、器數(shù)值模擬的計算模型，對螺旋纏繞管換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，通過搭建實驗平臺對其進(jìn)行實驗研究。結(jié)果表明：由實驗儀器帶來的相關(guān)物理量的最大實驗誤差均小于5％，認(rèn)為該實驗結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。通過數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比分析，發(fā)現(xiàn)：管程介質(zhì)為飽和水蒸汽，流量為2.5m3/h，殼程介質(zhì)為冷卻水，流量為1.9m3/h～7.2m3/h時，殼程壓降實驗值與模擬值相對誤差為-27.65%～-7.49%；努塞爾數(shù) Nu相對誤差為-0.607%～2.196%。

3、殼程介質(zhì)為飽和水蒸汽，流量為2.5m3/h，管程介質(zhì)為冷卻水，流量為2.1m3/h～7.2m3/h時，管程壓降實驗值與模擬值相對誤差為-25.69%～1.55%；努塞爾數(shù) Nu相對誤差為0.0137%～0.87%。相對誤差均在允許誤差范圍內(nèi)，驗證了數(shù)值計算方法與結(jié)果的可靠性。
　?。?）采用已驗證的數(shù)值計算方法，利用遺傳算法對螺旋纏繞管換熱器殼程進(jìn)行了多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化研究，結(jié)果表明螺旋纏繞管直徑d與纏繞半徑R對殼程流動換熱性能有顯著

4、影響，螺距 S影響較小，并討論了各因素對其流動傳熱性能的影響；經(jīng)過優(yōu)化得到各工況下殼程換熱性能與阻力達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即d=8mm，R=50mm，S=80mm。對優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到螺旋纏繞管換熱器殼程努塞爾數(shù)Nu與阻力系數(shù)f的關(guān)聯(lián)式。
　　（3）采用與上述相同的計算方法對螺旋纏繞管換熱器整體耦合流動傳熱性能進(jìn)行優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)換熱管直徑d與纏繞半徑R對螺旋纏繞管換熱器換熱性能與阻力的影響較大，螺距 S較小，利用遺傳算法

5、對螺旋纏繞管換熱器整體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，通過計算得到了管程與殼程換熱阻力性能同時最優(yōu)的三組結(jié)構(gòu)參數(shù)，即d=8mm，R=50mm，S分別為80mm、85mm、90mm。
　?。?）為進(jìn)一步提高螺旋纏繞管換熱器的流動傳熱性能，結(jié)合波節(jié)管換熱器強(qiáng)化傳熱的特點，提出了一種新型螺旋纏繞波節(jié)管換熱器，對其換熱管內(nèi)強(qiáng)化傳熱機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果表明：流體在螺旋纏繞波節(jié)管內(nèi)做螺旋運動，由于離心力的作用，在垂直流體主流方向上產(chǎn)生二次流；管橫截面周期性地