基于复杂绕流管束的换热器开发及传热强化机制研究

摘要

随着我国经济发展进入新阶段，以能源为中心的环境问题日益突出。在石化能源领域应用最广泛的管壳式换热器，其高效节能的设计开发一直是研究热点。笔者在复杂绕流管束换热器的研究基础上，提出一种复杂流态的异形片式倾斜折流栅换热器。采用机理分析、数值计算和实验结合的方法对其壳程流动传热进行研究。研究内容和结论如下： 1.基于流体复杂流态提出一种异形片式倾斜折流栅换热器，与常规帘式折流片换热器和异形折流片换热器就壳程性能进行对比。结果表明：雷诺数在6000~10000范围内，异形片式倾斜折流栅换热器壳程传热系数、压降、综合性能均高于常规帘式折流片换热器和异形折流片换热器；异形片式倾斜折流栅换热器结构紧凑，折流片与换热管之间的射流和流体经过正弦型折流片形成的螺旋流动提高了流体湍动程度，削弱边界层，增强传热。倾斜设置的折流栅改变流体流动路径，强化速度的递接作用，增大斜向流动面积，提高换热面积的利用率。但同时由于紧凑的布局，流体冲刷折流片时会增加壳程流体阻力，产生较大的压力损失，壳程压降增大；利用场协同分析可知，异形片式倾斜折流栅换热器壳程流体温度场与速度场协同性更优，因此具有更好的强化传热特性。 2.采用周期性模型，研究不同折流栅排布方式、折流栅倾斜角度、折流栅间距和折流片倾角对异形片式倾斜折流栅换热器传热性能的影响。结果表明：结构紧凑的平行排布换热器壳程传热系数、综合性能相较交错排布分别提高了12.7%~14%和3.6%~7.9%，交错排布换热器的压降最低；随着折流栅倾斜角度的增大，换热器壳程压降增大，传热系数和综合性能先增后减，倾斜角度为25°时传热性能达到最优；随着折流栅间距的增大，换热器壳程传热系数降低，压降减小，综合性能提高。壳程流体速度的连续性和边界层分离频率降低，壳程单位折流板数量减少，流动阻力变小。因此190mm折流栅间距的换热器，综合性能最好；随着折流片倾角的增大，壳程传热系数和压降越大，综合性能降低。折流片倾角越小，壳程流体速度分布越均化，流体湍动能越大。但倾角的改变对壳程的压降影响更明显。因此折流片倾角为60°时具有更好的综合性能；根据无量纲分析法，给出用于指导工程设计的异形片式倾斜折流栅换热器不同结构参数壳程传热系数和流体阻力准数关联式。在关联式的基础上采用遗传算法进行结构参数优化，与初始参数进行对比，优化后新结构参数换热器熵产数减小了5.3%，表明优化后换热器有用功多，性能更好。 3.设计与数值模型同比例冷模实验装置，利用激光多普勒测速仪对异形折流片换热器壳程侧特定测量点进行速度测量，将实验数据与模拟结果进行对比，结果表明：实验结果与模拟值误差不超过23%，验证了数值模拟方法和结果的准确性。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 管壳式换热器概述

1.3 传热强化理论研究现状

1.3.1 最小熵产法

1.3.2 场协同原理

1.4 管壳式换热器强化传热技术

1.4.1 管程强化传热技术

1.4.2 壳程强化传热技术

1.5 问题的提出和研究内容

1.5.1 问题的提出

1.5.2 主要研究内容

2 管壳式换热器数值模拟理论与方法

2.1 流体流动与传热控制方程

2.1.1 质量守恒方程

2.1.2 动量守恒方程

2.1.3 能量守恒方程

2.2 湍流数值模拟理论及方法

2.2.1 直接数值模拟方法

2.2.2 大涡模拟

2.2.3 雷诺时均数值模拟

2.3 换热器性能评价标准

2.3.1 单一性能分析法

2.3.2 综合性能评价法

2.3.3 场协同分析

2.4 网格独立性验证和模型计算方法

2.4.1 网格独立性验证

2.4.2 模型计算方法验证

2.5 模型数据处理

2.6 本章小结

3 新型复杂绕流支撑结构的提出及流动传热分析

3.1 引言

3.2 新型复杂绕流支撑结构的提出

3.3 模型建立

3.4 边界条件设置与网格划分

3.5 不同支撑结构换热器壳程性能对比研究

3.6 不同支撑结构换热器壳程传热机理分析

3.7 不同支撑结构换热器壳程场协同分析

3.8 本章小结

4 结构参数对异形片式倾斜折流栅换热器性能的影响

4.1 周期性发展段定义

4.2 折流栅排布方式对换热器壳程性能的影响

4.2.1 几何模型

4.2.2 周期性模型边界条件设置

4.2.3 壳程传热性能分析

4.2.4 壳程局部流场分析

4.2.5 场协同分析

4.3 折流栅倾斜角度对换热器壳程性能的影响

4.3.1 计算模型

4.3.2 壳程传热性能对比

4.3.3 场协同分析

4.4 折流栅间距对换热器壳程性能的影响

4.4.1 计算模型

4.4.2 壳程传热性能对比

4.4.3 流场分析

4.5 折流片倾角对换热器壳程性能的影响

4.5.1 计算模型

4.5.2 壳程传热性能对比

4.5.3 流场分析

4.6 异形片式倾斜折流栅换热器壳程传热及流阻准数关联式

4.7 基于熵产最小的优化设计

4.7.1 遗传算法简介

4.7.2 目标函数

4.7.3 决策变量和约束条件

4.7.4 优化结果

4.8 本章小结

5 异形折流片换热器流动实验研究

5.1 引言

5.2 实验目的

5.3 实验平台设计与搭建

5.3.1 激光多普勒测速仪和原理

5.3.2 异形片式换热器实验模型

5.3.3 实验仪器参数及流程

5.4 实验测量与结果分析

5.4.1 实验测量点的位置

5.4.2 数值模拟与实验结果对比分析

5.5 实验误差

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

个人简历

在学期间发表的学术论文及研究成果

参加项目

致谢