外胀式螺旋波纹管强化传热机理及换热器优化研究

发布时间：2020-08-27 18:16

【摘要】：换热器是在石油、化工、能源、电力等诸多工业领域应用广泛的一种关键过程设备。随着工业化的进展,以及能源和资源的枯竭,对换热器的高效性、紧凑性、低压降性和特殊性的要求越来越高。本文提出一种耐高压的外胀式螺旋波纹管换热元件,通过数值模拟方法对其内部螺旋流和脱涡流耦合作用下的流动机制和强化换热机理进行研究。采用对流传热熵产模型,分析了流体全局的传热和粘性耗散不可逆度,并与流动相结合,得出了各复杂流态对换热和阻力性能变化的影响。基于多目标优化理论,建立了同时考虑换热、阻力和综合传热因子三个指标的评价体系。最后将螺旋波纹管应用于套管式换热器中,对换热器壳程的强化换热机理进行了研究,并对换热器管程、壳程流量匹配进行了多目标优化分析。采用雷诺应力模型和大涡模拟分别对光管、贯轴式波纹管和螺旋波纹管内湍流流动和换热特性进行数值预测,并与实验结果、实验关联式和相关文献报道的结果进行对比。结果显示,虽然大涡模拟方法对局部特征的把握更精细,但雷诺应力模型与大涡模拟方法均准确的预测了湍流在波纹壁面上分离涡的产生和再附着位置,以及脱涡流的回流强度。且在预测光管和波纹管的平均换热、阻力特性方面,二者的数值结果与实验结果和经验关联式之间的误差均在±10%以内,说明两种方法均具有较高的精确度。考虑计算效率的问题,本文采用湍流雷诺应力模型作为螺旋波纹管以及换热器的数值计算模型。针对贯轴式波纹管和不同结构的螺旋波纹管内流场、局部换热阻力特性、平均换热阻力特性进行对比分析,研究了螺旋波纹管几何结构对二次流、螺旋流和强湍流脉动三种流态的影响,以及各流态对换热和阻力性能的作用。结果表明,螺旋流的产生对二次流和湍流脉动有弱化作用。随着波结高度的增加,二次流和螺旋流的强度均随之增加,而湍流脉动呈现先增加后减弱的趋势;随着波结间距的增加,二次流的强度几乎不变,螺旋流的强度逐渐增加,湍流脉动强度逐渐减弱。局部的换热和阻力特性表明,局部换热性能在波结迎风面处达到最大,而在二次流区域局部换热特性最小甚至低于光滑壁面处;局部阻力系数在波结入口和出口处达到最大,二次流作用的波结内部局部阻力最低。此外,螺旋流对换热有微弱的抑制作用,但对阻力的削弱更显著。基于Bejan的对流传热熵产模型,对螺旋波纹管内的局部传热和粘性耗散不可逆性进行了研究。边界层内流体的局部传热熵产分布,验证了第三章的沿壁面分布的局部换热系数的结论。主流区流体的局部传热熵产分布表明,尽管二次流对边界层与壁面的换热不利,但增强了主流区流体之间的传热不可逆度。在强湍流脉动区域,传热不可逆度最低。通过局部阻力熵产的分布,明晰了流体粘性耗散不可逆的分布主要存在于光滑壁面的边界层内和二次流核心区附近。基于表面中心复合设计对螺旋波纹管以雷诺数、波结高度和波结间距三个响应因子,提出了三因子五水平试验方案。通过响应曲面法对换热性能、阻力性能和综合换热因子三个目标建立二阶回归模型,且拟合精度高。并对三个目标函数进行敏感度分析。最终,根据多目标遗传算法对换热性能、阻力性能和综合换热性能三目标进行优化,得到帕累托最优边界。研究了以螺旋波纹管为内管的套管式换热器壳程换热机理,壳程直径设计,并基于响应曲面法和多目标优化方法研究了套管式换热器管程-壳程流量匹配问题。研究表明,对向流动的套管式换热器内,其壳程局部换热特性和阻力特性与管程分布规律一致。随着壳程直径的增加,换热器的总换热系数呈线性减小,总压降的下降速度逐渐减小,当其壳程直径为38mm时总压降下降幅度最大,选为最佳壳程直径。通过对换热器管程-壳程流量匹配进行多目标优化,最终得到以换热器总换热系数、总压降和综合换热系数为三目标的帕累托最优解。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK172
【图文】：

分布情况,余热资源,分布情况,余热

改善能源结构不合理的问题势在必行，除广开能源供应渠道、大力开发利用清洁能源等措施外，对现有能源结构进行优化，实现工业余热、废热回收再利用也是重要的途径之一。早在 2007 年我国在中华人民共和国节约能源法中就提出鼓励工业企业采用热电联产、余热余压利用等技术[1]；200年又在中华人民共和国循环经济促进法中提出，工业企业应当采用先进的回收技术、工艺和设备，对生产过程中产生的余热、余压等进行综合利用[2]；节能减排“十二五”规划中，将余热余压利用列为八大节能改造工程之一、九大工业节能重点工程之一[3]。我国工业余热资源丰富如图 1-1 所示，特别是在钢铁、有色、化工、水泥、建材、石油石化、轻工、煤炭、电力等行业，余热资源约占燃料消耗总量的 17%~67%，其中可回收率达 60%。但目前我国余热资源利用比例低，大型钢铁企业余热利用率约为 30%~50%，而其他行业则更低。余热资源以烟气余热、冷却介质余热、废水废汽余热、化学反应余热、高温产品和炉渣余热以及可燃废气废料余热等形式存在，其中高温烟气余热，可达到余热总资源的 50%左右，是余热回收利用的主要来源[4]。

强化换热,元件,螺旋纽带

加强管内的近壁面流体和中心区域流体的混合，从而达到强化传热的目的，如下图1-3(b)和(c)所示。为增强纽带强化传热程度和减小阻力的提升，Rahimi 等人[19]通过实验和数值模拟的方法研究了传统的螺旋纽带和三种改进型的螺旋纽带对圆管强化换热的影响，其中带穿孔和带凹口的改进型螺旋纽带的强化换热指标低于传统的螺旋纽带，而带锯齿的螺旋纽带对换热性能的提升远高于传统的螺旋纽带。Wongcharee 和 Eiamsa-ard[20]研究了带翅膀的螺旋纽带的强化换热特性，并对比了三角形、矩形和梯形三种翅膀的形状，以及不同三种翅-弦比。实验结果表明，翅-弦比为 0.3 的矩形翅膀螺旋纽带的综合换热性能最大为 1.42，对应的换热性能和阻力性能与光管的比值分别为 2.84 和 8.02倍。汪双凤等人[21]的研究表明，在圆管内插入交叉半椭圆片可以有效提升管

波纹管,缩放管,螺旋波纹

Xu 和 Zhang[33]报道了如图1-4(b)所示的 4种不同结构的贯轴式波纹管(弧线形管、波纹管、缩放管-Ⅰ和缩放管-Ⅱ)的湍流(5 000<Re<25 000)传热和阻力特性。结果显示，波纹管的换热性能提升最大，其次是缩放管-Ⅱ和缩放管-Ⅰ，弧线形管换热增强最差。Rainieri 和 Pagliarini[34]通过实验研究了层流(90<Re<800)在如图 1-4(c)所示的内凹贯轴式波纹管和螺旋波纹管内的强化换热特性。其研究表明，尽管螺旋波纹管内产生了显著的螺旋流动，但对换热性能无明显作用。Manca 等人[35]采用数值模拟方法，研究了如图 1-4(d)所示方形、矩形、三角形和梯形四种波结形状，以及波结的宽度、波结高度、波结间距三种尺

【参考文献】