本文關(guān)鍵詞：螺旋纏繞管換熱器流動傳熱性能研究

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【摘要】：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行了多目標(biāo)優(yōu)化研究,并對其整體耦合流動傳熱進行了多目標(biāo)優(yōu)化研究。為進一步提高其傳熱性能,結(jié)合波節(jié)管強化傳熱的機理提出了一種新型螺旋纏繞管換熱器,并分析其換熱管強化傳熱機理。本文的主要內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)確定了螺旋纏繞管換熱器數(shù)值模擬的計算模型,對螺旋纏繞管換熱器進行數(shù)值模擬,通過搭建實驗平臺對其進行實驗研究。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%。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。(2)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,利用遺傳算法對螺旋纏繞管換熱器整體參數(shù)進行優(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。(4)為進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)強化傳熱機理進行研究,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;管橫截面周期性地擴張與收縮,使流體在波節(jié)內(nèi)產(chǎn)生沿流體主流方向上的回流,對流體邊界層產(chǎn)生很強的破壞作用,使湍流程度增強,對換熱有較好的強化作用。相同工況下,螺旋纏繞波節(jié)管綜合換熱性能優(yōu)于螺旋纏繞光管;在螺旋纏繞波節(jié)管外側(cè)的波節(jié)尾端,換熱效果優(yōu)于其他位置。
【關(guān)鍵詞】：螺旋纏繞管換熱器 螺旋纏繞波節(jié)管 多目標(biāo)優(yōu)化 數(shù)值模擬 實驗研究
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ051.5
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-28
• 1.1 研究背景與意義11-12
• 1.2 螺旋纏繞管換熱器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-26
• 1.2.1 螺旋纏繞管換熱器管內(nèi)流動傳熱研究13-16
• 1.2.2 螺旋纏繞管換熱器殼程流動傳熱研究16-19
• 1.2.3 螺旋纏繞管換熱器整體流動傳熱研究19-26
• 1.3 本文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排26-28
• 2 螺旋纏繞管換熱器數(shù)值模擬方法及實驗驗證28-49
• 2.1 數(shù)值計算模型28-33
• 2.1.1 幾何模型28-30
• 2.1.2 數(shù)學(xué)模型30-32
• 2.1.3 網(wǎng)格獨立性考核32-33
• 2.2 實驗裝置33-35
• 2.2.1 測試對象33-34
• 2.2.2 流體循環(huán)系統(tǒng)34-35
• 2.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)35
• 2.3 操作參數(shù)設(shè)計與實驗步驟35-38
• 2.3.1 實驗參數(shù)設(shè)計35-36
• 2.3.2 實驗步驟36-38
• 2.4 結(jié)果分析與驗證38-47
• 2.4.1 數(shù)據(jù)處理方法38-39
• 2.4.2 實驗儀器誤差分析39-43
• 2.4.3 結(jié)果分析與驗證43-47
• 2.5 本章小結(jié)47-49
• 3 螺旋纏繞管換熱器殼程多目標(biāo)優(yōu)化研究49-75
• 3.1 螺旋纏繞管換熱器殼程計算模型49-53
• 3.1.1 幾何模型49-50
• 3.1.2 數(shù)學(xué)模型50-52
• 3.1.3 網(wǎng)格獨立性考核52-53
• 3.2 多目標(biāo)優(yōu)化53-55
• 3.2.1 多目標(biāo)優(yōu)化模型53-54
• 3.2.2 ANSYS Workbench多目標(biāo)優(yōu)化求解設(shè)置54-55
• 3.3 優(yōu)化結(jié)果分析55-74
• 3.3.1 參數(shù)靈敏度分析55-57
• 3.3.2 單因素分析57-70
• 3.3.3 三維響應(yīng)面分析70-71
• 3.3.4 最優(yōu)結(jié)果分析71-72
• 3.3.5 準(zhǔn)則關(guān)系式擬合72-74
• 3.4 本章小結(jié)74-75
• 4 螺旋纏繞管換熱器耦合傳熱多目標(biāo)優(yōu)化研究75-87
• 4.1 螺旋纏繞管換熱器計算模型75-76
• 4.1.1 幾何模型75-76
• 4.1.2 數(shù)學(xué)模型76
• 4.2 基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化76-77
• 4.3 優(yōu)化結(jié)果分析77-85
• 4.3.1 參數(shù)靈敏度分析77-79
• 4.3.2 單因素分析79-82
• 4.3.3 三維響應(yīng)面分析82-85
• 4.3.4 最優(yōu)結(jié)果分析85
• 4.4 本章小結(jié)85-87
• 5 螺旋纏繞波節(jié)管流動傳熱性能研究87-98
• 5.1 螺旋纏繞波節(jié)管計算模型87-90
• 5.1.1 幾何模型87-88
• 5.1.2 數(shù)學(xué)模型88-89
• 5.1.3 網(wǎng)格獨立性考核與模型準(zhǔn)確性驗證89-90
• 5.2 計算結(jié)果分析90-97
• 5.2.1 傳熱流動機理分析90-95
• 5.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對流動傳熱性能的影響95-97
• 5.3 本章小結(jié)97-98
• 6 結(jié)論與展望98-101
• 6.1 結(jié)論98-99
• 6.2 創(chuàng)新點99-100
• 6.3 展望100-101
• 參考文獻101-106
• 個人簡歷、在學(xué)期間科研成果及發(fā)表論文106-107
• 致謝107

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本文編號：799337