本文關(guān)鍵詞：螺旋纏繞管換熱器流動(dòng)傳熱性能研究

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【摘要】：螺旋纏繞管換熱器由于其高效緊湊、不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)在石化行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。本文以水為工質(zhì),通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證螺旋纏繞管換熱器數(shù)值計(jì)算方法的可靠性和準(zhǔn)確性,利用已驗(yàn)證的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)研究較少的螺旋纏繞管換熱器殼程進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化研究,并對(duì)其整體耦合流動(dòng)傳熱進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化研究。為進(jìn)一步提高其傳熱性能,結(jié)合波節(jié)管強(qiáng)化傳熱的機(jī)理提出了一種新型螺旋纏繞管換熱器,并分析其換熱管強(qiáng)化傳熱機(jī)理。本文的主要內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)確定了螺旋纏繞管換熱器數(shù)值模擬的計(jì)算模型,對(duì)螺旋纏繞管換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:由實(shí)驗(yàn)儀器帶來(lái)的相關(guān)物理量的最大實(shí)驗(yàn)誤差均小于5%,認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn):管程介質(zhì)為飽和水蒸汽,流量為2.5m3/h,殼程介質(zhì)為冷卻水,流量為1.9m3/h~7.2m3/h時(shí),殼程壓降實(shí)驗(yàn)值與模擬值相對(duì)誤差為-27.65%~-7.49%;努塞爾數(shù)Nu相對(duì)誤差為-0.607%~2.196%。殼程介質(zhì)為飽和水蒸汽,流量為2.5m3/h,管程介質(zhì)為冷卻水,流量為2.1m3/h~7.2m3/h時(shí),管程壓降實(shí)驗(yàn)值與模擬值相對(duì)誤差為-25.69%~1.55%;努塞爾數(shù)Nu相對(duì)誤差為0.0137%~0.87%。相對(duì)誤差均在允許誤差范圍內(nèi),驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法與結(jié)果的可靠性。(2)采用已驗(yàn)證的數(shù)值計(jì)算方法,利用遺傳算法對(duì)螺旋纏繞管換熱器殼程進(jìn)行了多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化研究,結(jié)果表明螺旋纏繞管直徑d與纏繞半徑R對(duì)殼程流動(dòng)換熱性能有顯著影響,螺距S影響較小,并討論了各因素對(duì)其流動(dòng)傳熱性能的影響;經(jīng)過(guò)優(yōu)化得到各工況下殼程換熱性能與阻力達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù),即d=8mm,R=50mm,S=80mm。對(duì)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到螺旋纏繞管換熱器殼程努塞爾數(shù)Nu與阻力系數(shù)f的關(guān)聯(lián)式。(3)采用與上述相同的計(jì)算方法對(duì)螺旋纏繞管換熱器整體耦合流動(dòng)傳熱性能進(jìn)行優(yōu)化研究,發(fā)現(xiàn)換熱管直徑d與纏繞半徑R對(duì)螺旋纏繞管換熱器換熱性能與阻力的影響較大,螺距S較小,利用遺傳算法對(duì)螺旋纏繞管換熱器整體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究,通過(guò)計(jì)算得到了管程與殼程換熱阻力性能同時(shí)最優(yōu)的三組結(jié)構(gòu)參數(shù),即d=8mm,R=50mm,S分別為80mm、85mm、90mm。(4)為進(jìn)一步提高螺旋纏繞管換熱器的流動(dòng)傳熱性能,結(jié)合波節(jié)管換熱器強(qiáng)化傳熱的特點(diǎn),提出了一種新型螺旋纏繞波節(jié)管換熱器,對(duì)其換熱管內(nèi)強(qiáng)化傳熱機(jī)理進(jìn)行研究,結(jié)果表明:流體在螺旋纏繞波節(jié)管內(nèi)做螺旋運(yùn)動(dòng),由于離心力的作用,在垂直流體主流方向上產(chǎn)生二次流;管橫截面周期性地?cái)U(kuò)張與收縮,使流體在波節(jié)內(nèi)產(chǎn)生沿流體主流方向上的回流,對(duì)流體邊界層產(chǎn)生很強(qiáng)的破壞作用,使湍流程度增強(qiáng),對(duì)換熱有較好的強(qiáng)化作用。相同工況下,螺旋纏繞波節(jié)管綜合換熱性能優(yōu)于螺旋纏繞光管;在螺旋纏繞波節(jié)管外側(cè)的波節(jié)尾端,換熱效果優(yōu)于其他位置。
【關(guān)鍵詞】：螺旋纏繞管換熱器 螺旋纏繞波節(jié)管 多目標(biāo)優(yōu)化 數(shù)值模擬 實(shí)驗(yàn)研究
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TQ051.5
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-28
• 1.1 研究背景與意義11-12
• 1.2 螺旋纏繞管換熱器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-26
• 1.2.1 螺旋纏繞管換熱器管內(nèi)流動(dòng)傳熱研究13-16
• 1.2.2 螺旋纏繞管換熱器殼程流動(dòng)傳熱研究16-19
• 1.2.3 螺旋纏繞管換熱器整體流動(dòng)傳熱研究19-26
• 1.3 本文研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排26-28
• 2 螺旋纏繞管換熱器數(shù)值模擬方法及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證28-49
• 2.1 數(shù)值計(jì)算模型28-33
• 2.1.1 幾何模型28-30
• 2.1.2 數(shù)學(xué)模型30-32
• 2.1.3 網(wǎng)格獨(dú)立性考核32-33
• 2.2 實(shí)驗(yàn)裝置33-35
• 2.2.1 測(cè)試對(duì)象33-34
• 2.2.2 流體循環(huán)系統(tǒng)34-35
• 2.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)35
• 2.3 操作參數(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)步驟35-38
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)35-36
• 2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟36-38
• 2.4 結(jié)果分析與驗(yàn)證38-47
• 2.4.1 數(shù)據(jù)處理方法38-39
• 2.4.2 實(shí)驗(yàn)儀器誤差分析39-43
• 2.4.3 結(jié)果分析與驗(yàn)證43-47
• 2.5 本章小結(jié)47-49
• 3 螺旋纏繞管換熱器殼程多目標(biāo)優(yōu)化研究49-75
• 3.1 螺旋纏繞管換熱器殼程計(jì)算模型49-53
• 3.1.1 幾何模型49-50
• 3.1.2 數(shù)學(xué)模型50-52
• 3.1.3 網(wǎng)格獨(dú)立性考核52-53
• 3.2 多目標(biāo)優(yōu)化53-55
• 3.2.1 多目標(biāo)優(yōu)化模型53-54
• 3.2.2 ANSYS Workbench多目標(biāo)優(yōu)化求解設(shè)置54-55
• 3.3 優(yōu)化結(jié)果分析55-74
• 3.3.1 參數(shù)靈敏度分析55-57
• 3.3.2 單因素分析57-70
• 3.3.3 三維響應(yīng)面分析70-71
• 3.3.4 最優(yōu)結(jié)果分析71-72
• 3.3.5 準(zhǔn)則關(guān)系式擬合72-74
• 3.4 本章小結(jié)74-75
• 4 螺旋纏繞管換熱器耦合傳熱多目標(biāo)優(yōu)化研究75-87
• 4.1 螺旋纏繞管換熱器計(jì)算模型75-76
• 4.1.1 幾何模型75-76
• 4.1.2 數(shù)學(xué)模型76
• 4.2 基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化76-77
• 4.3 優(yōu)化結(jié)果分析77-85
• 4.3.1 參數(shù)靈敏度分析77-79
• 4.3.2 單因素分析79-82
• 4.3.3 三維響應(yīng)面分析82-85
• 4.3.4 最優(yōu)結(jié)果分析85
• 4.4 本章小結(jié)85-87
• 5 螺旋纏繞波節(jié)管流動(dòng)傳熱性能研究87-98
• 5.1 螺旋纏繞波節(jié)管計(jì)算模型87-90
• 5.1.1 幾何模型87-88
• 5.1.2 數(shù)學(xué)模型88-89
• 5.1.3 網(wǎng)格獨(dú)立性考核與模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證89-90
• 5.2 計(jì)算結(jié)果分析90-97
• 5.2.1 傳熱流動(dòng)機(jī)理分析90-95
• 5.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流動(dòng)傳熱性能的影響95-97
• 5.3 本章小結(jié)97-98
• 6 結(jié)論與展望98-101
• 6.1 結(jié)論98-99
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)99-100
• 6.3 展望100-101
• 參考文獻(xiàn)101-106
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間科研成果及發(fā)表論文106-107
• 致謝107

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本文編號(hào)：799337