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纵流管壳式换热器的计算优化与实验研究

杨杰  
【摘要】:在结合世界提高能量利用率,减少碳排放量,降低温室效应的国际大环境,和中国工业产能结构性调整,减少单位GDP的碳排放量的小环境中,发展节能减排技术不仅有利于民生,也符合中国贯彻的可持续发展战略部署。管壳式换热器作为重工行业中最耗能耗材的设备之一,其强化传热技术一直是国内外学者研究的重点。如何提高换热器的传热效率,减少压降,延长其使用寿命,如何指导开发新型换热器,以及如何实现优化设计对实现节能减排目标有着重要意义。本文对折流杆管壳式换热器进行了研究,总结了数值模拟方法,并利用单元模型、周期性模型、多孔模型和整体模型对于折流杆换热器进行建模,提供了模型选取标准,并利用实验方法对数值模拟进行了验证,结果显示:一般情况下,单元模型不能计算换热器压降,但可以粗略计算换热器传热性能。当换热器数量较多时,单元模型能够精确计算传热性能;周期性模型也不能计算换热器压降,但可以精确预测换热器的传热性能,对于壳程长度直径比越大的换热器,该模型计算精度越高;多孔模型能够精确计算换热器的传热和流动特性,但是多孔模型需要有经验关联式的存在,同时多孔模型需要添加多项自定义函数从而对控制方程进行修改,其数值计算过程较为复杂;整体模型能精确地计算换热器流动和传热性能,而且可以使用于所有上述三种简化模型不能使用的场合,但其对计算机资源的要求较高,求解过程较为耗时。基于研究内容和结果,本文提出了一种根据不同情况采用不同模型的标准,对数值模拟研究具有一定指导意义。本文基于最小耗散原理的强化传热优化理论,核心流强化传热原理,和多场协同原理,对换热器对流过程进行了分析,理论推导了可用势在管壳式换热器中的变化。对于换热器中管侧来说,将换热过程不可逆耗散与管内流动功耗作为目标函数和约束条件对换热器进行优化,得到了管内单涡或多涡结构的纵流流场。基于此理论本文设计了螺旋偏心管,并将其应用到了管壳式换热器,消除了折流板等部件实现了壳程自支撑。基于本文提出的标准,利用整体模型对换热器的管程和壳程进行数值模拟,并与折流杆换热器进行了对比。结果显示在相应的雷诺数区间内,螺旋偏心管管程传热性能和阻力因子同时提高,管程性能评价系数为1.5~2.1,而壳程传热性能减弱了14.6-24.9%,压降减少了32.7~35.8%,壳程性能评价系数为0.9-0.95,因此总的来说,该新型换热器的整体综合传热性能大幅度增加。另外螺旋偏心管换热器管内呈螺旋流,管外整体纵向流动,因此该换热器抑制污垢能力较强,而且能减少流体诱导振动,具有良好的应用特性。另外文本结合了折流杆换热器和整圆板换热器的优点,设计出了一种新型整圆板管壳式换热器并与折流杆换热器进行了对比,结果显示,在雷诺数从5000到14,000的区间内,该新型换热器传热性能增强了28.4~38.7%,压降增加了39.5-49.7%,壳程性能评价系数为1.15-1.22,更重要的是,该换热器折流珊结构和加工工艺简单,具有广阔的市场应用前景。本文提出了一种基于构形理论的换热器优化设计方法,将一个整体换热器看作是并联和串联的子换热器构成,对其约束方程和目标函数建立了相应的数学模型,利用遗传算法来对管壳式换热器进行优化设计,结果显示,相比于文献中的优化设计方法,该新型设计方法能扩大最优解范围,在实现目标函数最大化或者最小化方面有着巨大优势。同时,该新型换热器优化设计方法在数学建模和求解过程较为复杂,可以将之简化成串联法和并联法。本文以串联法为例,对管壳式换热器进行了优化设计,结果显示简化后的设计方法所设计的方案依然比文献中的设计方案要好。另外本文从可用势定义出发,推导了换热器整体可用能损失的表达式,并利用遗传算法以管壳式换热器中整体可用能损失为目标函数,对换热器进行了优化设计,结果表明当换热器整体可用能损失最小时,换热器整体不可逆性最好,总功耗最小,传热效率最高。


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