扭曲管换热器数值模拟及参数优化研究

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1、目录4．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．695结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯715．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯715．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．73个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果⋯⋯⋯⋯．．77致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．78VI符号说明一椭圆截面内长轴m；一椭圆截面外长轴，m；一椭圆截面内长半轴，m；～椭圆截面外长半轴，m；一椭圆截面内短轴，m；～椭圆截面外短轴，m；一椭圆截面内短半轴

2、，m；一椭圆截面外短半轴，m；一比热容，J·k91·K～：一圆管直径，m；一当量直径，m；一肋高，m：～换热面积，m2；～阻力系数；～场协同数；一质量流量，kg·S一；一重力加速度，m·S～；一对流换热系数，W·m-2．K～：一长度，m：～努赛尔数；～肋数；一换热管数量；VII一压力损失，Pa；一圆管截面周长，m；一扭曲管截面周长，m；一普朗特数；一热流量，W；一热流密度，W·m～；一雷诺数；一导程，m；一对数平均温差，K：一进口温度，K；一出口温度，K；一壁面到第一层网格中心距离；一无量纲近壁面距离；截面面积

3、m一；一螺旋角：一场协同角，齿顶角；一综合评价指标；一动力粘度，kg·m’1·S～：一热导率，W·m-2．K一：一湿周，m：一平均速度，m·s～；一密度，kg·m一；廿鼻足nQg如s圾乙‰妙广阡口∥叩∥力zvp么厶口％B玩6‰0d沈PF厂凡Gg办三垤Ⅳ聆1绪论1绪论1．1研究背景与意义科技的进步与发展使人们的生活品质得到了很大的提高，但是与此同时人们面临着一些不可逃避的困境，一方面地球有限能源消耗加剧，另一方面，伴随发展，环境遭到污染与破坏。进入2l世纪，能源和环境问题是人类社会发展面临的两大挑战。在我国能源资

4、源短缺，人均水平更是低于世界平均，经济的建设离不开能源的利用，要实现社会可持续发展，除了新能源的开发外，还要求我们对现有能源高效净洁利用。能源的种类很多，在利用过程中约有80％存在热量的传递与转化⋯，可以看出对传热过程的强化及优化是高效利用能源的重要方法和途径，强化传热技术的应用对节约高效利用能源的意义重大。强化传热技术的进步最终要服务于国民经济的发展，其直接的体现就是推动了工业装备的发展创新，而换热器是最能体现强化技术应用的工业设备。换热器是实现热量传递的常用设备，其工质为存在温差的两种或多种流体。作为一种通

5、用的单元设备，广泛应用于化工、石油、医药、食品等工业中，资料显示【2j，在石油化工企业，其数量占设备总数的40％，投资占30％～45％；在热电厂中，该设备的投资比例更是高达70％左右；另一方面，在余热回收利用，新能源的开发使用，环保工艺流程中换热器的需求数量也都相当大。因此，利用强化传热技术开发传热效率高、全寿命周期费用低的换热器具有十分重要的意义。目前换热器的研究可以分为两个方向：一是新型高效换热器的开发；二是应用强化传热技术对已有换热器进行改进【3J。在各种换热设备中，管壳式换热器应用最多【4J，虽然传统管

6、壳式换热器在紧凑性、传热效率、压力损失方面存在缺陷，但是其操作压力和温度范围较大、工作可靠，设计和加工制造都积累了很多经验，相关标准明确，常常成为人们的首选。对于管壳式换热器，强化传热研究主要集中在各种高效强化传热管的开发。扭曲管是由普通圆管经压扁扭转制得，截面为椭圆形，两头仍为圆形截面便于安装，是近年来重要的研究成果之一[5-7]。扭曲管换热器是以其为主要换热元件的新型高效换热器，管内流体旋转流动，在截面上形成二次流；壳程椭圆l绪论截面长轴处形成自支撑结构，流道也为螺旋形，壳程流体边旋转边纵向流动，强化传热的

7、同时降低了压力损失，另外，纵流也避免了流体诱导的管束振动。扭曲管换热器除继承了传统的管壳式换热器操作压力和温度范围大、工作可靠以及设计和制造有标准可循等优点外，还具有结构紧凑耗材少、传热效率高、泵功消耗少、清洗方便、无管束振动、运行成本低等优点，应用前景广副引。在国外该种换热器已有较广的应用，且使用时间相对较长，资料显示单BrownFintube公司(现在的KOCH公司)生产的扭曲管换热器，己销售几百台t91。国内一些高校和企业进行了一定研制工作，在一些炼化厂中已经有一定数量的扭曲管换热器投入使用，效果良好【l

8、O,11]。但由于国外技术的保密，国内对扭曲管换热器传热和流阻特性研究的深度和广度不够，以及制造技术不成熟，运行使用的经验资料较少等原因，有必要对扭曲管换热器做进一步研究，促进其在国内的推广应用，实现其节能降耗等良好的价值。1．2换热器强化传热技术1．2．1强化传热技术研究进展强化传热概括的说就是改善并提高热量传递的速率，尽可能使单位时间内，通过单位面积传递更多的热量，以达到能源节约高