【摘要】：換熱器是在石油、化工、能源、電力等諸多工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的一種關(guān)鍵過程設(shè)備。隨著工業(yè)化的進展,以及能源和資源的枯竭,對換熱器的高效性、緊湊性、低壓降性和特殊性的要求越來越高。本文提出一種耐高壓的外脹式螺旋波紋管換熱元件,通過數(shù)值模擬方法對其內(nèi)部螺旋流和脫渦流耦合作用下的流動機制和強化換熱機理進行研究。采用對流傳熱熵產(chǎn)模型,分析了流體全局的傳熱和粘性耗散不可逆度,并與流動相結(jié)合,得出了各復(fù)雜流態(tài)對換熱和阻力性能變化的影響�；诙嗄繕�(biāo)優(yōu)化理論,建立了同時考慮換熱、阻力和綜合傳熱因子三個指標(biāo)的評價體系。最后將螺旋波紋管應(yīng)用于套管式換熱器中,對換熱器殼程的強化換熱機理進行了研究,并對換熱器管程、殼程流量匹配進行了多目標(biāo)優(yōu)化分析。采用雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬分別對光管、貫軸式波紋管和螺旋波紋管內(nèi)湍流流動和換熱特性進行數(shù)值預(yù)測,并與實驗結(jié)果、實驗關(guān)聯(lián)式和相關(guān)文獻報道的結(jié)果進行對比。結(jié)果顯示,雖然大渦模擬方法對局部特征的把握更精細,但雷諾應(yīng)力模型與大渦模擬方法均準(zhǔn)確的預(yù)測了湍流在波紋壁面上分離渦的產(chǎn)生和再附著位置,以及脫渦流的回流強度。且在預(yù)測光管和波紋管的平均換熱、阻力特性方面,二者的數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果和經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式之間的誤差均在±10%以內(nèi),說明兩種方法均具有較高的精確度�？紤]計算效率的問題,本文采用湍流雷諾應(yīng)力模型作為螺旋波紋管以及換熱器的數(shù)值計算模型。針對貫軸式波紋管和不同結(jié)構(gòu)的螺旋波紋管內(nèi)流場、局部換熱阻力特性、平均換熱阻力特性進行對比分析,研究了螺旋波紋管幾何結(jié)構(gòu)對二次流、螺旋流和強湍流脈動三種流態(tài)的影響,以及各流態(tài)對換熱和阻力性能的作用。結(jié)果表明,螺旋流的產(chǎn)生對二次流和湍流脈動有弱化作用。隨著波結(jié)高度的增加,二次流和螺旋流的強度均隨之增加,而湍流脈動呈現(xiàn)先增加后減弱的趨勢;隨著波結(jié)間距的增加,二次流的強度幾乎不變,螺旋流的強度逐漸增加,湍流脈動強度逐漸減弱。局部的換熱和阻力特性表明,局部換熱性能在波結(jié)迎風(fēng)面處達到最大,而在二次流區(qū)域局部換熱特性最小甚至低于光滑壁面處;局部阻力系數(shù)在波結(jié)入口和出口處達到最大,二次流作用的波結(jié)內(nèi)部局部阻力最低。此外,螺旋流對換熱有微弱的抑制作用,但對阻力的削弱更顯著�；贐ejan的對流傳熱熵產(chǎn)模型,對螺旋波紋管內(nèi)的局部傳熱和粘性耗散不可逆性進行了研究。邊界層內(nèi)流體的局部傳熱熵產(chǎn)分布,驗證了第三章的沿壁面分布的局部換熱系數(shù)的結(jié)論。主流區(qū)流體的局部傳熱熵產(chǎn)分布表明,盡管二次流對邊界層與壁面的換熱不利,但增強了主流區(qū)流體之間的傳熱不可逆度。在強湍流脈動區(qū)域,傳熱不可逆度最低。通過局部阻力熵產(chǎn)的分布,明晰了流體粘性耗散不可逆的分布主要存在于光滑壁面的邊界層內(nèi)和二次流核心區(qū)附近�；诒砻嬷行膹�(fù)合設(shè)計對螺旋波紋管以雷諾數(shù)、波結(jié)高度和波結(jié)間距三個響應(yīng)因子,提出了三因子五水平試驗方案。通過響應(yīng)曲面法對換熱性能、阻力性能和綜合換熱因子三個目標(biāo)建立二階回歸模型,且擬合精度高。并對三個目標(biāo)函數(shù)進行敏感度分析。最終,根據(jù)多目標(biāo)遺傳算法對換熱性能、阻力性能和綜合換熱性能三目標(biāo)進行優(yōu)化,得到帕累托最優(yōu)邊界。研究了以螺旋波紋管為內(nèi)管的套管式換熱器殼程換熱機理,殼程直徑設(shè)計,并基于響應(yīng)曲面法和多目標(biāo)優(yōu)化方法研究了套管式換熱器管程-殼程流量匹配問題。研究表明,對向流動的套管式換熱器內(nèi),其殼程局部換熱特性和阻力特性與管程分布規(guī)律一致。隨著殼程直徑的增加,換熱器的總換熱系數(shù)呈線性減小,總壓降的下降速度逐漸減小,當(dāng)其殼程直徑為38mm時總壓降下降幅度最大,選為最佳殼程直徑。通過對換熱器管程-殼程流量匹配進行多目標(biāo)優(yōu)化,最終得到以換熱器總換熱系數(shù)、總壓降和綜合換熱系數(shù)為三目標(biāo)的帕累托最優(yōu)解。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK172
【圖文】：

改善能源結(jié)構(gòu)不合理的問題勢在必行，除廣開能源供應(yīng)渠道、大力開發(fā)利用清潔能源等措施外，對現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，實現(xiàn)工業(yè)余熱、廢熱回收再利用也是重要的途徑之一。早在 2007 年我國在中華人民共和國節(jié)約能源法中就提出鼓勵工業(yè)企業(yè)采用熱電聯(lián)產(chǎn)、余熱余壓利用等技術(shù)[1]；200年又在中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟促進法中提出，工業(yè)企業(yè)應(yīng)當(dāng)采用先進的回收技術(shù)、工藝和設(shè)備，對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱、余壓等進行綜合利用[2]；節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃中，將余熱余壓利用列為八大節(jié)能改造工程之一、九大工業(yè)節(jié)能重點工程之一[3]。我國工業(yè)余熱資源豐富如圖 1-1 所示，特別是在鋼鐵、有色、化工、水泥、建材、石油石化、輕工、煤炭、電力等行業(yè)，余熱資源約占燃料消耗總量的 17%~67%，其中可回收率達 60%。但目前我國余熱資源利用比例低，大型鋼鐵企業(yè)余熱利用率約為 30%~50%，而其他行業(yè)則更低。余熱資源以煙氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、廢水廢汽余熱、化學(xué)反應(yīng)余熱、高溫產(chǎn)品和爐渣余熱以及可燃廢氣廢料余熱等形式存在，其中高溫?zé)煔庥酂�，可達到余熱總資源的 50%左右，是余熱回收利用的主要來源[4]。

加強管內(nèi)的近壁面流體和中心區(qū)域流體的混合，從而達到強化傳熱的目的，如下圖1-3(b)和(c)所示。為增強紐帶強化傳熱程度和減小阻力的提升，Rahimi 等人[19]通過實驗和數(shù)值模擬的方法研究了傳統(tǒng)的螺旋紐帶和三種改進型的螺旋紐帶對圓管強化換熱的影響，其中帶穿孔和帶凹口的改進型螺旋紐帶的強化換熱指標(biāo)低于傳統(tǒng)的螺旋紐帶，而帶鋸齒的螺旋紐帶對換熱性能的提升遠高于傳統(tǒng)的螺旋紐帶。Wongcharee 和 Eiamsa-ard[20]研究了帶翅膀的螺旋紐帶的強化換熱特性，并對比了三角形、矩形和梯形三種翅膀的形狀，以及不同三種翅-弦比。實驗結(jié)果表明，翅-弦比為 0.3 的矩形翅膀螺旋紐帶的綜合換熱性能最大為 1.42，對應(yīng)的換熱性能和阻力性能與光管的比值分別為 2.84 和 8.02倍。汪雙鳳等人[21]的研究表明，在圓管內(nèi)插入交叉半橢圓片可以有效提升管

Xu 和 Zhang[33]報道了如圖1-4(b)所示的 4種不同結(jié)構(gòu)的貫軸式波紋管(弧線形管、波紋管、縮放管-Ⅰ和縮放管-Ⅱ)的湍流(5 000<Re<25 000)傳熱和阻力特性。結(jié)果顯示，波紋管的換熱性能提升最大，其次是縮放管-Ⅱ和縮放管-Ⅰ，弧線形管換熱增強最差。Rainieri 和 Pagliarini[34]通過實驗研究了層流(90<Re<800)在如圖 1-4(c)所示的內(nèi)凹貫軸式波紋管和螺旋波紋管內(nèi)的強化換熱特性。其研究表明，盡管螺旋波紋管內(nèi)產(chǎn)生了顯著的螺旋流動，但對換熱性能無明顯作用。Manca 等人[35]采用數(shù)值模擬方法，研究了如圖 1-4(d)所示方形、矩形、三角形和梯形四種波結(jié)形狀，以及波結(jié)的寬度、波結(jié)高度、波結(jié)間距三種尺

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 汪雙鳳;張宏南;李選友;;圓管內(nèi)間隔插入交叉半橢圓片傳熱與流動的數(shù)值模擬[J];熱能動力工程;2014年06期

2 張偉瑋;韓聰;韓懷志;苑世劍;李炳熙;;波節(jié)形狀對波節(jié)管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和傳熱特性的影響[J];哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報;2013年07期

3 張杰;任艷;張康;梁惠敏;;熱管式GGH取代回轉(zhuǎn)式GGH的可行性分析[J];建筑熱能通風(fēng)空調(diào);2010年05期

4 馬挺;曾敏;謝公南;王秋旺;;高溫下平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究[J];工程熱物理學(xué)報;2010年09期

本文編號：2806451