理論及換熱器優(yōu)化研究.pdf

1、高消耗，高污染是我國工業(yè)發(fā)展的主要特征。解決高消耗，高污染的問題的關(guān)鍵在于節(jié)能減排技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。換熱器強(qiáng)化換熱技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用是關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來理論和換熱器優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展非常迅速，將理論應(yīng)用到換熱器優(yōu)化的研究對新型換熱器強(qiáng)化換熱技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用具有重要的意義。
　　本論文的研究工作得到國家自然科學(xué)基金(No.21576245)的資助。對理論及在換熱器強(qiáng)化傳熱中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)地理論分析，主要研究成果如下。
　　(1)

2、在對(火積)理論和有用能損失理論深入研究的基礎(chǔ)上，以廣義不可逆卡諾熱機(jī)系統(tǒng)為研究對象，分別用有用能損失理論和(火積)理論對廣義不可逆卡諾熱機(jī)系統(tǒng)的特性進(jìn)行分析，提出描述系統(tǒng)有用能損失和(火積)理論之間數(shù)學(xué)關(guān)系——“(火積)減”概念；并將減應(yīng)用到系統(tǒng)的平衡方程中，提出fi耗散綜合方程，統(tǒng)一了傳熱耗散方程和熱功轉(zhuǎn)換(火積)耗散方程。
　　(2)應(yīng)用減研究傳熱系統(tǒng)和換熱器，采用“(火積)減”表述傳熱系統(tǒng)和逆流換熱器的有用能損失，統(tǒng)一了傳

3、熱系統(tǒng)和熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中有用能損失的(火積)理論數(shù)學(xué)表達(dá)式；提出逆流換熱器中“減”的無量綱數(shù)——“(火積)減數(shù)”，以逆流換熱器為例，研究了(火積)耗散數(shù)(火積)(火積)減數(shù)、以及有用能損失系數(shù)隨著換熱器傳熱有效度的變化規(guī)律，結(jié)果表明，(火積)減的隨著溫度之比x和傳熱系數(shù)之比r的變化趨勢與有用能損失的變化趨勢相同，說明(火積)減能有效表示傳熱系統(tǒng)和換熱器中的不可逆損失。
　　(3)搭建多層纏繞管換熱器(Multiple Coiled

4、Tube Heat Exchanger)試驗臺，利用Wilson plot分離熱阻法分析得到了多層纏繞管換熱器(MCTHE)的強(qiáng)化換熱性能；引入“有限時間熱力學(xué)等效平均溫度”的概念，對蒸汽相變過程進(jìn)行等效變換，并應(yīng)用于多層纏繞管換熱器(MCTHE)，分析了換熱器傳熱有效度、耗散數(shù)、(火積)減數(shù)、以及有用能損失系數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果表明，有限時間熱力學(xué)等效平均溫度能有效代替蒸汽相變產(chǎn)生的影響；(火積)減數(shù)隨著換熱器傳熱有效度的增加而減小，說

5、明(火積)減能有效反映換熱器的不可逆損失，從實驗的角度驗證了“減”的正確性和有效性。
　　(4)在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過ANSYS Workbench軟件，對多層纏繞管換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，傳熱有效度的最大誤差不超過3.5％，換熱量的誤差不超過19%，(火積)耗散數(shù)的最大誤差不超過24%，(火積)減數(shù)的最大誤差不超過2%，因此，驗證了有限時間熱力學(xué)等效平均溫度的適用性，以及減的正確性；采用多目標(biāo)遺傳算法(Multi-O

6、bjective Genetic Algorithm)，以(火積)耗散數(shù)、(火積)(火積)減、Nu數(shù)和壓降作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過ANSYS Workbench軟件，對多層纏繞管換熱器進(jìn)行了多目標(biāo)數(shù)值優(yōu)化研究，結(jié)果表明，引入(火積)減的優(yōu)化方法，能有效減少換熱器的不可逆損失。
　　(5)借鑒變密度方法，對換熱器進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化研究。通過COMSOL軟件對拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行可視化編程，利用MMA(Method of Moving Asymp