螺旋缠绕管换热器流动传热性能研究

发布时间：2017-09-05 17:34

  本文关键词：螺旋缠绕管换热器流动传热性能研究

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【摘要】：螺旋缠绕管换热器由于其高效紧凑、不易结垢等优点在石化行业得到广泛的应用。本文以水为工质,通过实验验证螺旋缠绕管换热器数值计算方法的可靠性和准确性,利用已验证的数值计算方法对研究较少的螺旋缠绕管换热器壳程进行了多目标优化研究,并对其整体耦合流动传热进行了多目标优化研究。为进一步提高其传热性能,结合波节管强化传热的机理提出了一种新型螺旋缠绕管换热器,并分析其换热管强化传热机理。本文的主要内容及结论如下:(1)确定了螺旋缠绕管换热器数值模拟的计算模型,对螺旋缠绕管换热器进行数值模拟,通过搭建实验平台对其进行实验研究。结果表明:由实验仪器带来的相关物理量的最大实验误差均小于5%,认为该实验结果是准确可靠的。通过数值模拟结果与实验结果的对比分析,发现:管程介质为饱和水蒸汽,流量为2.5m3/h,壳程介质为冷却水,流量为1.9m3/h~7.2m3/h时,壳程压降实验值与模拟值相对误差为-27.65%~-7.49%;努塞尔数Nu相对误差为-0.607%~2.196%。壳程介质为饱和水蒸汽,流量为2.5m3/h,管程介质为冷却水,流量为2.1m3/h~7.2m3/h时,管程压降实验值与模拟值相对误差为-25.69%~1.55%;努塞尔数Nu相对误差为0.0137%~0.87%。相对误差均在允许误差范围内,验证了数值计算方法与结果的可靠性。(2)采用已验证的数值计算方法,利用遗传算法对螺旋缠绕管换热器壳程进行了多目标驱动优化研究,结果表明螺旋缠绕管直径d与缠绕半径R对壳程流动换热性能有显著影响,螺距S影响较小,并讨论了各因素对其流动传热性能的影响;经过优化得到各工况下壳程换热性能与阻力达到最优的结构参数,即d=8mm,R=50mm,S=80mm。对优化后的数据进行统计分析,得到螺旋缠绕管换热器壳程努塞尔数Nu与阻力系数f的关联式。(3)采用与上述相同的计算方法对螺旋缠绕管换热器整体耦合流动传热性能进行优化研究,发现换热管直径d与缠绕半径R对螺旋缠绕管换热器换热性能与阻力的影响较大,螺距S较小,利用遗传算法对螺旋缠绕管换热器整体参数进行优化研究,通过计算得到了管程与壳程换热阻力性能同时最优的三组结构参数,即d=8mm,R=50mm,S分别为80mm、85mm、90mm。(4)为进一步提高螺旋缠绕管换热器的流动传热性能,结合波节管换热器强化传热的特点,提出了一种新型螺旋缠绕波节管换热器,对其换热管内强化传热机理进行研究,结果表明:流体在螺旋缠绕波节管内做螺旋运动,由于离心力的作用,在垂直流体主流方向上产生二次流;管横截面周期性地扩张与收缩,使流体在波节内产生沿流体主流方向上的回流,对流体边界层产生很强的破坏作用,使湍流程度增强,对换热有较好的强化作用。相同工况下,螺旋缠绕波节管综合换热性能优于螺旋缠绕光管;在螺旋缠绕波节管外侧的波节尾端,换热效果优于其他位置。
【关键词】：螺旋缠绕管换热器 螺旋缠绕波节管 多目标优化 数值模拟 实验研究
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-28
• 1.1 研究背景与意义11-12
• 1.2 螺旋缠绕管换热器国内外研究现状12-26
• 1.2.1 螺旋缠绕管换热器管内流动传热研究13-16
• 1.2.2 螺旋缠绕管换热器壳程流动传热研究16-19
• 1.2.3 螺旋缠绕管换热器整体流动传热研究19-26
• 1.3 本文研究内容及结构安排26-28
• 2 螺旋缠绕管换热器数值模拟方法及实验验证28-49
• 2.1 数值计算模型28-33
• 2.1.1 几何模型28-30
• 2.1.2 数学模型30-32
• 2.1.3 网格独立性考核32-33
• 2.2 实验装置33-35
• 2.2.1 测试对象33-34
• 2.2.2 流体循环系统34-35
• 2.2.3 数据采集系统35
• 2.3 操作参数设计与实验步骤35-38
• 2.3.1 实验参数设计35-36
• 2.3.2 实验步骤36-38
• 2.4 结果分析与验证38-47
• 2.4.1 数据处理方法38-39
• 2.4.2 实验仪器误差分析39-43
• 2.4.3 结果分析与验证43-47
• 2.5 本章小结47-49
• 3 螺旋缠绕管换热器壳程多目标优化研究49-75
• 3.1 螺旋缠绕管换热器壳程计算模型49-53
• 3.1.1 几何模型49-50
• 3.1.2 数学模型50-52
• 3.1.3 网格独立性考核52-53
• 3.2 多目标优化53-55
• 3.2.1 多目标优化模型53-54
• 3.2.2 ANSYS Workbench多目标优化求解设置54-55
• 3.3 优化结果分析55-74
• 3.3.1 参数灵敏度分析55-57
• 3.3.2 单因素分析57-70
• 3.3.3 三维响应面分析70-71
• 3.3.4 最优结果分析71-72
• 3.3.5 准则关系式拟合72-74
• 3.4 本章小结74-75
• 4 螺旋缠绕管换热器耦合传热多目标优化研究75-87
• 4.1 螺旋缠绕管换热器计算模型75-76
• 4.1.1 几何模型75-76
• 4.1.2 数学模型76
• 4.2 基于遗传算法的多目标优化76-77
• 4.3 优化结果分析77-85
• 4.3.1 参数灵敏度分析77-79
• 4.3.2 单因素分析79-82
• 4.3.3 三维响应面分析82-85
• 4.3.4 最优结果分析85
• 4.4 本章小结85-87
• 5 螺旋缠绕波节管流动传热性能研究87-98
• 5.1 螺旋缠绕波节管计算模型87-90
• 5.1.1 几何模型87-88
• 5.1.2 数学模型88-89
• 5.1.3 网格独立性考核与模型准确性验证89-90
• 5.2 计算结果分析90-97
• 5.2.1 传热流动机理分析90-95
• 5.2.2 结构参数对流动传热性能的影响95-97
• 5.3 本章小结97-98
• 6 结论与展望98-101
• 6.1 结论98-99
• 6.2 创新点99-100
• 6.3 展望100-101
• 参考文献101-106
• 个人简历、在学期间科研成果及发表论文106-107
• 致谢107

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本文编号：799337