螺旋纏繞管換熱器流動(dòng)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(diǎn)在石化行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。本文以水為工質(zhì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證螺旋纏繞管換熱器數(shù)值計(jì)算方法的可靠性和準(zhǔn)確性，利用已驗(yàn)證的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)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(duì)其整體耦合流動(dòng)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：
　　（1）確定了螺旋纏繞管換熱

2、器數(shù)值模擬的計(jì)算模型，對(duì)螺旋纏繞管換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：由實(shí)驗(yàn)儀器帶來(lái)的相關(guān)物理量的最大實(shí)驗(yàn)誤差均小于5％，認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)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(shí)，殼程壓降實(shí)驗(yàn)值與模擬值相對(duì)誤差為-27.65%～-7.49%；努塞爾數(shù) Nu相對(duì)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(shí)，管程壓降實(shí)驗(yàn)值與模擬值相對(duì)誤差為-25.69%～1.55%；努塞爾數(shù) Nu相對(duì)誤差為0.0137%～0.87%。相對(duì)誤差均在允許誤差范圍內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法與結(jié)果的可靠性。
　?。?）采用已驗(yàn)證的數(shù)值計(jì)算方法，利用遺傳算法對(duì)螺旋纏繞管換熱器殼程進(jìn)行了多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)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(duì)殼程流動(dòng)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(duì)其流動(dòng)傳熱性能的影響；經(jīng)過(guò)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(duì)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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。
　?。?）采用與上述相同的計(jì)算方法對(duì)螺旋纏繞管換熱器整體耦合流動(dòng)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(duì)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(duì)螺旋纏繞管換熱器整體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，通過(guò)計(jì)算得到了管程與殼程換熱阻力性能同時(shí)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(jìn)一步提高螺旋纏繞管換熱器的流動(dòng)傳熱性能，結(jié)合波節(jié)管換熱器強(qiáng)化傳熱的特點(diǎn)，提出了一種新型螺旋纏繞波節(jié)管換熱器，對(duì)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(yùn)動(dòng)，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