縱流管殼式換熱器的計算優(yōu)化與實驗研究.pdf

1、在結合世界提高能量利用率，減少碳排放量，降低溫室效應的國際大環(huán)境，和中國工業(yè)產能結構性調整，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)中最耗能耗材的設備之一，其強化傳熱技術一直是國內外學者研究的重點。如何提高換熱器的傳熱效率，減少壓降，延長其使用壽命，如何指導開發(fā)新型換熱器，以及如何實現(xiàn)優(yōu)化設計對實現(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，總結了數值模擬方法，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值模擬進行了驗證，結果顯示：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驗關聯(lián)式的存在，同時多孔模型需要添加多項自定義函數從而對控制方程進行修改，其數值計算過程較為復雜；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?；谘芯績热莺徒Y果，本文提出了一種根據不同情況采用不同模型的標準，對數值模擬研究具有一定指導意義。
　　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，理論推導了可用勢在管殼式換熱器中的變化。對于換熱器中管側來說，將換熱過程不可逆耗散與管內流動功耗作為目標函數和約束條件對換熱器進行優(yōu)化，得到了管內單渦或多渦結構的縱流流場?；诖死碚摫疚脑O計了螺旋偏心管，并將其應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。基于本文提出的標準，利用整體模型對換熱器的管程和殼程進行數值模擬，并與折流桿換熱器進行了對比。結果顯示在相應的雷諾數區(qū)間內

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振動，具有良好的應用特性。另外文本結合了折流桿換熱器和整圓板換熱器的優(yōu)點，設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，結果顯示，在雷諾數從5000到14,000的區(qū)間內，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%，殼程性能評價系數為1.15～1.22，更重要的是，該換熱器折流珊結構和加工工藝簡單，具有廣闊的市場應用前景。
　　本文提出了一種基于構形理論的換熱器優(yōu)化設計方法，將一個整體換熱器看作是并聯(lián)和串聯(lián)的子換熱器構成，對其約束方程和目標函數建立了相應的數學模型，利用遺傳

7、算法來對管殼式換熱器進行優(yōu)化設計，結果顯示，相比于文獻中的優(yōu)化設計方法，該新型設計方法能擴大最優(yōu)解范圍，在實現(xiàn)目標函數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)化設計方法在數學建模和求解過程較為復雜，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)化設計，結果顯示簡化后的設計方法所設計的方案依然比文獻中的設計方案要好。另外本文從可用勢定義出發(fā)，推導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