扭曲管換熱器數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化研究

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1、目錄4．4本章小結(jié)????????????????．．695結(jié)論與展望??????????????715．1結(jié)論??????????????????715．2展望??????????????????72參考文獻(xiàn)???????????????．．73個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果????．．77致謝??????????????．??．．78VI符號說明一橢圓截面內(nèi)長軸m；一橢圓截面外長軸，m；一橢圓截面內(nèi)長半軸，m；～橢圓截面外長半軸，m；一橢圓截面內(nèi)短軸，m；～橢圓截面外短軸，m；一橢圓截面內(nèi)短半軸

2、，m；一橢圓截面外短半軸，m；一比熱容，J·k91·K～：一圓管直徑，m；一當(dāng)量直徑，m；一肋高，m：～換熱面積，m2；～阻力系數(shù)；～場協(xié)同數(shù)；一質(zhì)量流量，kg·S一；一重力加速度，m·S～；一對流換熱系數(shù)，W·m-2．K～：一長度，m：～努賽爾數(shù)；～肋數(shù)；一換熱管數(shù)量；VII一壓力損失，Pa；一圓管截面周長，m；一扭曲管截面周長，m；一普朗特數(shù)；一熱流量，W；一熱流密度，W·m～；一雷諾數(shù)；一導(dǎo)程，m；一對數(shù)平均溫差，K：一進(jìn)口溫度，K；一出口溫度，K；一壁面到第一層網(wǎng)格中心距離；一無量綱近壁面距離；截面面積

3、m一；一螺旋角：一場協(xié)同角，齒頂角；一綜合評價指標(biāo)；一動力粘度，kg·m’1·S～：一熱導(dǎo)率，W·m-2．K一：一濕周，m：一平均速度，m·s～；一密度，kg·m一；廿鼻足nQg如s圾乙‰妙廣阡口∥叩∥力zvp么厶口％B玩6‰0d沈PF廠凡Gg辦三垤Ⅳ聆1緒論1緒論1．1研究背景與意義科技的進(jìn)步與發(fā)展使人們的生活品質(zhì)得到了很大的提高，但是與此同時人們面臨著一些不可逃避的困境，一方面地球有限能源消耗加劇，另一方面，伴隨發(fā)展，環(huán)境遭到污染與破壞。進(jìn)入2l世紀(jì)，能源和環(huán)境問題是人類社會發(fā)展面臨的兩大挑戰(zhàn)。在我國能源資

4、源短缺，人均水平更是低于世界平均，經(jīng)濟(jì)的建設(shè)離不開能源的利用，要實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展，除了新能源的開發(fā)外，還要求我們對現(xiàn)有能源高效凈潔利用。能源的種類很多，在利用過程中約有80％存在熱量的傳遞與轉(zhuǎn)化?，可以看出對傳熱過程的強(qiáng)化及優(yōu)化是高效利用能源的重要方法和途徑，強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用對節(jié)約高效利用能源的意義重大。強(qiáng)化傳熱技術(shù)的進(jìn)步最終要服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其直接的體現(xiàn)就是推動了工業(yè)裝備的發(fā)展創(chuàng)新，而換熱器是最能體現(xiàn)強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用的工業(yè)設(shè)備。換熱器是實現(xiàn)熱量傳遞的常用設(shè)備，其工質(zhì)為存在溫差的兩種或多種流體。作為一種通

5、用的單元設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、石油、醫(yī)藥、食品等工業(yè)中，資料顯示【2j，在石油化工企業(yè)，其數(shù)量占設(shè)備總數(shù)的40％，投資占30％～45％；在熱電廠中，該設(shè)備的投資比例更是高達(dá)70％左右；另一方面，在余熱回收利用，新能源的開發(fā)使用，環(huán)保工藝流程中換熱器的需求數(shù)量也都相當(dāng)大。因此，利用強(qiáng)化傳熱技術(shù)開發(fā)傳熱效率高、全壽命周期費用低的換熱器具有十分重要的意義。目前換熱器的研究可以分為兩個方向：一是新型高效換熱器的開發(fā)；二是應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)對已有換熱器進(jìn)行改進(jìn)【3J。在各種換熱設(shè)備中，管殼式換熱器應(yīng)用最多【4J，雖然傳統(tǒng)管

6、殼式換熱器在緊湊性、傳熱效率、壓力損失方面存在缺陷，但是其操作壓力和溫度范圍較大、工作可靠，設(shè)計和加工制造都積累了很多經(jīng)驗，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確，常常成為人們的首選。對于管殼式換熱器，強(qiáng)化傳熱研究主要集中在各種高效強(qiáng)化傳熱管的開發(fā)。扭曲管是由普通圓管經(jīng)壓扁扭轉(zhuǎn)制得，截面為橢圓形，兩頭仍為圓形截面便于安裝，是近年來重要的研究成果之一[5-7]。扭曲管換熱器是以其為主要換熱元件的新型高效換熱器，管內(nèi)流體旋轉(zhuǎn)流動，在截面上形成二次流；殼程橢圓l緒論截面長軸處形成自支撐結(jié)構(gòu)，流道也為螺旋形，殼程流體邊旋轉(zhuǎn)邊縱向流動，強(qiáng)化傳熱的

7、同時降低了壓力損失，另外，縱流也避免了流體誘導(dǎo)的管束振動。扭曲管換熱器除繼承了傳統(tǒng)的管殼式換熱器操作壓力和溫度范圍大、工作可靠以及設(shè)計和制造有標(biāo)準(zhǔn)可循等優(yōu)點外，還具有結(jié)構(gòu)緊湊耗材少、傳熱效率高、泵功消耗少、清洗方便、無管束振動、運行成本低等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣副引。在國外該種換熱器已有較廣的應(yīng)用，且使用時間相對較長，資料顯示單BrownFintube公司(現(xiàn)在的KOCH公司)生產(chǎn)的扭曲管換熱器，己銷售幾百臺t91。國內(nèi)一些高校和企業(yè)進(jìn)行了一定研制工作，在一些煉化廠中已經(jīng)有一定數(shù)量的扭曲管換熱器投入使用，效果良好【l

8、O,11]。但由于國外技術(shù)的保密，國內(nèi)對扭曲管換熱器傳熱和流阻特性研究的深度和廣度不夠，以及制造技術(shù)不成熟，運行使用的經(jīng)驗資料較少等原因，有必要對扭曲管換熱器做進(jìn)一步研究，促進(jìn)其在國內(nèi)的推廣應(yīng)用，實現(xiàn)其節(jié)能降耗等良好的價值。1．2換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)1．2．1強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究進(jìn)展強(qiáng)化傳熱概括的說就是改善并提高熱量傳遞的速率，盡可能使單位時間內(nèi)，通過單位面積傳遞更多的熱量，以達(dá)到能源節(jié)約高