螺旋異型管強(qiáng)化傳熱數(shù)值研究及PIV實(shí)驗(yàn)分析.pdf

1、在世界能源危機(jī)、中國(guó)能源現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的大背景下，發(fā)展節(jié)能技術(shù)，不僅有利于提供現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力，改善人民生活質(zhì)量，更符合國(guó)家“十三五”戰(zhàn)略規(guī)劃與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。管殼式換熱器作為一種通用設(shè)備廣泛應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)、特別是高能耗產(chǎn)業(yè)當(dāng)中。如果能大幅提高管殼式換熱器殼程與管程的對(duì)流換熱性能，同時(shí)不顯著地增加功耗，甚至減小功耗，將十分有利于節(jié)能降耗工作的展開(kāi)。因此本文在基于最小耗散原理的強(qiáng)化傳熱過(guò)程優(yōu)化理論和對(duì)流換熱過(guò)程中的多場(chǎng)協(xié)同原理的支

2、撐下，設(shè)計(jì)了新型的強(qiáng)化傳熱元件，使其在大幅提高換熱性能的同時(shí)，流動(dòng)阻力增加不顯著；同時(shí)設(shè)計(jì)了新型管殼式換熱器，將這些新型傳熱元件應(yīng)用其中，并獲得了良好的綜合換熱特性。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴介紹了基于最小耗散原理的強(qiáng)化傳熱過(guò)程優(yōu)化理論和對(duì)流換熱過(guò)程中的多場(chǎng)協(xié)同原理，這是新型強(qiáng)化傳熱元件設(shè)計(jì)和研究的理論基礎(chǔ)。對(duì)于對(duì)流換熱過(guò)程而言，將換熱過(guò)程不可逆耗散與流體流動(dòng)過(guò)程中的功耗作為互為目標(biāo)函數(shù)與約束條件對(duì)換熱過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，可以得到具有

3、單渦或者多渦結(jié)構(gòu)縱向旋流的管內(nèi)優(yōu)化速度場(chǎng)，結(jié)果表明，管內(nèi)形成單渦或多渦縱向旋流結(jié)構(gòu)能有效提高流體綜合對(duì)流傳熱特性。對(duì)流換熱過(guò)程中流體工質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的多物理量矢量場(chǎng)之間的協(xié)同關(guān)系，很好地揭示了流體換熱與流動(dòng)阻力之間的關(guān)系，解釋了管內(nèi)強(qiáng)化傳熱與泵功損失的物理本質(zhì)。
　　⑵設(shè)計(jì)了兩種新型強(qiáng)化傳熱元件—深槽螺旋波紋管和橢圓偏心螺旋管，同時(shí)設(shè)計(jì)了應(yīng)用這些新型換熱管型的管殼式換熱器—采用螺旋波紋管的折流桿換熱器、采用螺旋波紋管的自支撐式管殼式換熱器

4、以及采用橢圓偏心螺旋管的自支撐式管殼式換熱器，并對(duì)這些新型換熱管型和換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過(guò)對(duì)深槽螺旋波紋管的數(shù)值模擬研究可以發(fā)現(xiàn)，深槽螺旋波紋管可以使其管內(nèi)流體形成整體縱向旋流，使管內(nèi)流體在大幅提高換熱性能的同時(shí)，流動(dòng)阻力增加不顯著。研究發(fā)現(xiàn)，深槽螺旋波紋管中流體傳熱與流動(dòng)的性能評(píng)價(jià)系數(shù)PEC值最高可達(dá)2.98，說(shuō)明管內(nèi)縱向旋流的形成能有效提高其綜合傳熱性能。對(duì)采用深槽螺旋波紋管的折流桿換熱器研究發(fā)現(xiàn)，深槽螺旋管外壁面與折流桿共同

5、作用能改變換熱器殼程流體的流動(dòng)形式，從而改變其傳熱與流動(dòng)性能。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的采用光管的折流桿換熱器相比，采用深槽螺旋波紋管的折流桿換熱器殼程流體傳熱與流動(dòng)的效能評(píng)價(jià)系數(shù)EEC最高可達(dá)1.35，說(shuō)明其具有良好的綜合強(qiáng)化傳熱性能。采用深槽螺旋波紋管的自支撐式管殼式換熱器殼程管束的固定與支撐并未采用額外的約束元件，使得殼程流體流動(dòng)的局部阻力大大減小。與折流桿換熱器相比，在相同殼程Reynolds數(shù)下，采用深槽螺旋波紋管的自支撐換熱器殼

6、程流體功耗減小倍數(shù)要遠(yuǎn)大于其換熱量減小倍數(shù)，其EEC值最高可達(dá)2.41。橢圓偏心螺旋管通過(guò)其特殊幾何外形的壁面結(jié)構(gòu)，也能使流體形成整體縱向旋流，使其在提高換熱性能的同時(shí)，流動(dòng)阻力增加不明顯。通過(guò)對(duì)不同橢圓截面短長(zhǎng)徑之比的橢圓偏心螺旋管計(jì)算發(fā)現(xiàn)，短長(zhǎng)徑之比為0.6時(shí)橢圓偏心螺旋管管內(nèi)流體PEC值可達(dá)2.52。采用橢圓偏心螺旋管的自支撐式管殼式換熱器能大大減小殼程流體流動(dòng)阻力，同時(shí)其仍然具有良好的換熱性能。計(jì)算結(jié)果表明，在殼程流體Reyno

7、lds為18000時(shí)，折流桿換熱器殼程壓降為3164.4Pa，而采用橢圓偏心螺旋管的自支撐換熱器殼程流體壓降僅僅只有237.6Pa，因此采用橢圓偏心螺旋管的自支撐換熱器殼程流體效能評(píng)價(jià)系數(shù)EEC值可以高達(dá)11.7，具有優(yōu)良的綜合換熱性能。
　?、谴罱嘶赟tereo-PIV技術(shù)的管內(nèi)流場(chǎng)可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法觀測(cè)到了具有不同槽深的螺旋波紋管內(nèi)流體流動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)深槽螺旋波紋管內(nèi)流體能夠形成具有單渦結(jié)構(gòu)的縱向旋流，而淺槽螺旋波