紧凑式换热器强化传热及整体结构优化

摘要

随着全球工业的快速发展，各国对能源的需求不断增长，能源消耗也不断增加，世界性的能源危机使节能成为工业发展的一个主题。在未来的几十年，人类正面临着资源短缺、环境污染等问题，这一问题正制约着国民经济健康发展。因此，世界各国正在寻求环境友好、价格低廉的绿色能源，并积极开展预热回收和节能减排等工作。节能减排和绿色环保已成为我国的基本国策。“节能减排的关键是节约能源，提高能效，减少污染”，而减小能量在传递或转移过程的损失，则是提高能源利用率，缓解能源短缺和节能减排的重要手段。人类工业化的历史就是对热利用的历史，换热器作为热交换通用设备在现今社会中占有越来越重要的地位，广泛应用于动力、化工、冶金、航空航天等工业领域。在石油化工厂的建设中，其投资占整个投资的30％以上，重量占工艺设备总重的40%。
　　如何提高换热器的工作效率，不仅是现代化发展中必须解决的问题，同时也是缓解能源紧张、合理利用能源的关键。设计出高效紧凑的换热器是当今换热器的重要研究方向，各种强化传热技术成了换热器研究的热点。因此，对换热器传热过程及结构进行设计优化，提高换热器的传热效率，成为了提高能源利用率、节能减排、缓解能源短缺的重要举措，有着重要的经济价值和社会效益。另外，对换热器进行结构优化，有助于减小换热器的体积，降低其制造成本。
　　本文主要完成了如下研究工作：
　　（1）搭建了双流程锯齿型板翅式换热器实验系统，针对板翅式换热器，在气－油换热情况下对其换热特性和阻力特性进行了实验研究，得到了该类换热器油侧和气侧的换热准则方程和流动阻力准则方程。通过与Manglik和Wieting的换热准则方程进行对比，发现本文的准则方程与上述的准则方程总趋势是一致的，通过分析原因，证实了本文所得准则方程的正确性和有效性，为板翅式换热器的设计计算和结构优化提供可行性依据。
　　（2）在板翅式换热器系统工作原理基础上，运用建模过程中涉及的相关理论和数学模型，分析了不同结构参数对传热和压降的影响，并采用遗传算法结合正交设计法对该板翅式换热器进行整体结构优化，优化结果使得传热性能最佳且压降最小，用于指导该类换热器最佳结构尺寸的选取。
　　（3）建立了11种不同结构的平直翅片管换热器系统三维仿真模型，通过数值仿真发现平直翅片的开缝位置以及凸起形状对整体换热效果有重要影响，计算结果展示了此11种仿真模型在相同边界条件下的温度分布和流线分布情况，通过对不同评价指标的比较分析，总结出双耳型结构的翅片为最佳翅片结构。
　　（4）在管翅式换热器系统工作原理基础上，运用建模过程中涉及的相关理论和数学模型，分析了不同结构参数对整体传热效果和压降的影响，并采用遗传算法结合正交设计法对管翅式换热器进行整体结构优化，优化结果使得传热性能最佳且压降最小，并用 Fluent软件进一步对优化前后整体换热特性与阻力特性进行仿真结果比较，比较结果表明所得的优化结构在提高了换热效果的同时，对流体的阻力也有明显的减小，其综合性能优于原结构，为最佳结构尺寸。该结论可用于指导该类换热器最佳结构尺寸的选取，对该类换热器系统结构优化设计具有重要意义。
　　本文的研究结果可以为板翅式和管翅式等紧凑换热器的实际应用和设计提供一定的理论指导。

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第1章 绪 论

1.1 研究的背景

1.2 紧凑式换热器的简介

1.3 紧凑式换热器的发展及研究现状

1.4 模拟研究现状

1.5 研究的方法及意义

1.6 研究内容及特点

第2章 换热器的强化传热与结构优化

2.1 引言

2.2 强化传热理论

2.3 紧凑式换热器结构优化方法

2.4 本章小结

第3章 板翅式紧凑换热器的实验研究与数值仿真

3.1 引言

3.2 板翅式紧凑换热器实验系统

3.3 实验过程与数据整理

3.4 实验数据处理

3.5 误差分析与修正

3.6 实验数据的对比分析

3.7 板翅式紧凑换热器的数值仿真

3.8 应用多孔介质的板翅式换热器的数值仿真

3.9 本章小结

第4章 板翅式紧凑换热器整体结构优化

4.1 引言

4.2 系统模型

4.3 优化结果与分析

4.4 优化模型关系式

4.5 CFD 仿真结果比较

4.6 换热器整体结构多孔介质仿真结果比较

4.7 本章小结

第5章 紧凑换热器开缝翅片换热特性的数值仿真

5.1 引言

5.2 开缝翅片的仿真

5.3 数值模拟结果与分析

5.4 本章小结

第6章 管翅式紧凑换热器整体结构优化

6.1 引言

6.2 系统模型

6.3 整体结构优化

6.4 优化前后比较分析与讨论

6.5 CFD数值结果与分析

6.6 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 本文创新之处

7.3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加的科研项目

附录 板翅式紧凑换热器原始实验数据