管翅式换热设备高效强化传热的理论与实验研究

定　　价：30 元

丛书名：

• 作者：王煜
• 出版时间：2020/4/1
• ISBN：9787560655857
• 出 版 社：西安电子科技大学出版社

• 中图法分类：TK172 
• 页码：192
• 纸张：胶版纸
• 版次：1
• 开本：16K
• 字数：256千字(单位：千字)

内容简介

本书以工业中广泛应用的管翅式气体换热设备为研究对象，围绕着提高其性能、实现高效低阻的目的，分别从管外翅片改进、强化换热管以及换热器流路的综合设计3个途径着手，展开了换热设备高效强化传热的理论和实验的研究。 本书结合作者的部分研究成果，以及在相关科研实践中的体会和经验，系统地介绍了热量传递的强化方法、基本概念、模型推导、数值实施以及发展现状，并配以具体的案例, 以帮助读者快速掌握相关知识。 本书面向高等院校和科研单位的研究生、工程技术人员和研究人员，可以作为能源、机械、数学、物理、力学、材料等大类专业的课程教材或参考用书。

序 言

随着传统化石能源的日益枯竭和人类社会对能源的需求越来越大，在发展新能源的同时，提高传统能源使用效率，走“低碳经济”的发展之路成为必然的选择。而换热设备作为热量传递的关键部件，在现代工业中有着广泛的应用，例如应用于能源动力、石油化工、暖通空调、航空航天、电子器件冷却等工业领域。因此，提升换热设备的性能，对于提高能源的使用效率有着重要的意义。 本书以工业应用相当广泛的管翅式气体换热设备为研究对象，围绕着提高性能、实现高效低阻的目的，分别从管外翅片改进、强化换热管以及换热器流路的综合设计3个途径着手，展开了换热设备高效强化传热技术的理论和实验研究。首先，将遗传算法与数值模拟相结合，对含有多个未知参数的换热设备进行参数优化分析设计，获得初步的优化结构参数和运行参数； 其次，针对管外翅片侧的换热性能进行强化换热研究，包括在稳态流动条件下新型强化换热翅片的开发和数值模拟，在脉动流动条件下强化换热元件的流动传热性能评价及机理分析，以及在余热利用时波动流动情况下工业上常用H形翅片流动换热性能的分析； 再次，针对管内侧的换热性能进行强化研究，开发并实验研究了新型强化换热管； 最后，在翅片侧和管内侧研究的基础上，对管排的流路布置开展了优化设计研究，开发了组合管径换热设备的流路设计程序和相应的计算软件，并应用所开发的软件对现有的5排90根管和2排64根管的两种冷凝换热器流路进行了优化设计, 为最终实现换热设备的综合性能优化打下了基础。具体研究工作如下： （1） 将遗传算法与数值模拟相结合，对管翅式气体换热器的结构和运行参数展开了优化设计，获得初步的优化结果，为后期的进一步优化和新元件的开发奠定了基础。本书针对简化的二维开缝翅片，采用遗传算法与数值模拟相结合的优化方法进行了设计计算，以换热性能提高的比例(j/j0)与流动阻力增加的比例(f/f0)之比(j/j0)/(f/f0)这一综合性能指标作为优化目标时，优化设计的结果与作为基准的平直翅片相比，换热j因子相对增强了229.22%，阻力f因子相对增大了196.30%，综合性能（j/f）相对提高了11.11%。以（j/j0）为优化目标时，优化设计的结果与平直翅片相比，换热j因子相对增强了479.08%。 （2） 从管外翅片侧的强化换热着手，设计出了X形纵向涡发生器的新型强化换热翅片，揭示了新型纵向涡发生器布置形式对管翅式换热器流动与换热性能的影响机理。数值模拟分析了所提出的4种具有X形纵向涡发生器的管翅式换热器的流动与换热性能，并应用以节能为目标的强化传热综合性能评价准则，对所提出的4种X形纵向涡发生器与通常采用的“向上流”和“向下流”纵向涡发生器布置形式进行了分析。与目前广泛使用的波纹翅片相比，新型X形纵向涡发生器具有更好的换热和流动性能，符合高效低阻强化换热的要求。其中，X形交叉点位于管心的布置形式综合性能最好。 （3） 在管外翅片侧稳态强化换热研究的基础上，对安装有纵向涡发生器的矩形通道在非稳态脉动流动下的换热和阻力特性进行了研究，分析了纵向涡发生器在非稳态下的流动和换热机理，并进行了综合性能的评价分析。在脉动流动下，不同的脉动周期和脉动幅度均会对换热和阻力性能产生影响。根据数值计算结果，在不同幅度和周期的脉动流动下，纵向涡发生器通道内换热性能的提高均大于阻力的增加。研究表明，将脉动流动与纵向涡发生器相结合，可以进一步改善速度场、温度梯度场和压力梯度场之间的协同性，使换热性能得到进一步提高，而阻力增加不大，实现了高效低阻的强化换热。 （4） 在管外翅片侧非稳态强化换热研究的基础上，针对余热烟气利用过程中烟气流量的波动性问题，选取常用的烟气换热器——H形翅片换热器为研究对象，研究了波动流动对H形翅片换热器换热性能和阻力特性影响的机理。通过数值模拟对波动的时均速度、波动幅度和波动周期3个主要参数进行分析，结果表明换热性能Nu数和阻力特性Eu数随时均速度的增大分别呈指数增加和减小。随着波动幅度变大，Nu数和Eu数可以分为3个不同的阶段，即换热快速下降而阻力缓慢上升阶段、换热缓慢下降而阻力快速上升阶段以及换热和阻力均下降阶段。波动的周期长度对Nu数和Eu数的影响非常小，可以忽略不计。在大量计算的基础上，获得了关联有波动时均Re数和无量纲波动幅度的换热及阻力多参数关联式。 （5） 随着管外翅片侧强化换热性能研究的深入，为了进一步提高管翅式换热器的整体性能，需要同时对管外侧和管内侧的换热性能进行强化。针对管内强化传热，提出了4种不同结构（顺排外凸圆球形和叉排外凸圆球形，顺排内凹椭球形和顺排内凹圆球形）的新型丁胞强化换热管，并对其进行了实验研究，获得了新型丁胞强化管的换热与流动综合性能及实验关联式。在改建和完善原有的强化换热管性能测试实验台的基础上，对顺排外凸圆球形丁胞强化换热管和叉排外凸圆球形丁胞强化换热管及顺排内凹椭球形丁胞强化换热管和圆球形丁胞强化换热管进行了实验研究和分析。实验结果表明，丁胞型强化换热管具有更好的流动换热综合特性，尤其是内凹的椭球形丁胞管，换热性能的强化最大，同时阻力提高得最小，综合性能最好。 （6） 在强化管外侧和管内侧换热研究的基础上，针对管排的流路布置开展了优化设计研究，开发了组合管径换热设备的流路设计程序和相应的计算软件，通过换热设备的流路的优化设计，实现换热器整体高效的目的。建立了管翅式换热器流路计算模型，实现了不同流路的计算，开发了相应的流路设计软件。以两个实际应用的空调换热器流路设计为例，分别对5排90根管和2排64根管的冷凝器，在结构参数和运行参数不变的情况下进行了流路的优化设计。经过流路优化设计后，换热量基本不变，而压降阻力明显降低，实现了高效低阻的目的。同时，通过对实际流路的优化计算，验证了本书提出的流路优化5项原则，即重力原则、逆流原则、逆向导热原则、均匀热流及压降原则。 鉴于作者水平所限，书中难免存在疏漏，敬请广大读者指正(Email：[e-mail])。

目 录

第1章 绪论1 1.1 研究背景及意义1 1.2 强化换热技术的研究进展2 1.2.1 强化换热翅片的研究进展4 1.2.2 强化换热管的研究进展16 1.2.3 换热器流路设计研究进展19 1.3 强化传热理论的研究进展21 1.4 本书研究内容21 1.4.1 优化算法研究22 1.4.2 强化换热翅片的研究22 1.4.3 强化换热管的研究23 1.4.4 换热器流路布置的研究23 第2章 强化传热理论及评价方法研究综述24 2.1 问题的提出24 2.2 最小熵产原理24 2.3 场协同理论26 2.3.1 “场协同”原理26 2.3.2 “三场协同”原理28 2.4 “耗散”理论32 2.4.1 “耗散”极值原理32 2.4.2 “耗散”最小统一性原理33 2.5 强化传热综合性能评价图36 本章小结38 第3章 管翅式气体换热器遗传算法与数值模拟结合的优化设计研究39 3.1 问题的提出39 3.2 物理模型39 3.3 遗传算法模型40 3.4 控制方程和边界条件41 3.5 数值方法42 3.6 数值计算有效性验证43 3.6.1 网格独立性考核43 3.6.2 关联式校核43 3.7 计算结果及分析44 3.7.1 遗传算法优化结果44 3.7.2 流动和换热性能分析46 3.7.3 场协同性分析47 本章小结49 第4章 新型纵向涡发生器流动换热三维数值模拟研究51 4.1 问题的提出51 4.2 物理模型51 4.3 控制方程和边界条件55 4.4 数值方法56 4.5 数值计算有效性验证58 4.6 计算结果及分析59 4.6.1 局部换热与流动分析59 4.6.2 换热与压降比较和分析64 4.6.3 场协同性分析65 4.6.4 综合性能评价66 本章小结67 第5章 非稳态脉动流动下纵向涡三角小翼通道的流动换热机理研究69 5.1 问题的提出69 5.2 物理模型70 5.3 控制方程和边界条件71 5.4 数值方法72 5.5 数值计算有效性验证73 5.5.1 网格独立性考核73 5.5.2 实验结果校核74 5.5.3 时间步长独立性考核75 5.6 计算结果及分析76 5.6.1 速度场分析77 5.6.2 温度场分析78 5.6.3 涡量场分析79 5.6.4 换热性能分析80 5.6.5 流动特性分析82 5.6.6 场协同性分析84 5.6.7 综合性能评价86 本章小结86 第6章 余热利用中波动性对H形翅片换热器影响的数值模拟研究88 6.1 问题的提出88 6.2 物理模型89 6.3 控制方程和边界条件90 6.4 数值方法91 6.5 数值计算有效性验证91 6.6 计算结果及分析93 6.6.1 时均速度的影响93 6.6.2 波动幅度的影响96 6.6.3 波动周期的影响103 6.7 多参数回归关联式107 本章小结109 第7章 丁胞型强化换热管的流动与换热实验 研究110 7.1 问题的提出110 7.2 丁胞换热管实验系统110 7.2.1 实验装置介绍110 7.2.2 实验台加工段112 7.2.3 实验测量系统114 7.3 实验元件114 7.4 实验步骤116 7.5 数据处理117 7.5.1 物性参数117 7.5.2 实验热平衡校核的数据处理117 7.5.3 无量纲参数确定118 7.6 实验不确定性分析118 7.6.1 不确定度分析方法118 7.6.2 传热系数的不确定度分析119 7.6.3 阻力系数的不确定度分析120 7.7 外凸形丁胞强化换热管实验结果及 分析121 7.7.1 实验结果校核和基准拟合121 7.7.2 换热性能比较和分析124 7.7.3 阻力特性比较和分析126 7.7.4 综合性能评价128 7.8 内凹形丁胞强化换热管实验结果及 分析128 7.8.1 实验结果校核128 7.8.2 换热性能的比较和分析129 7.8.3 阻力特性的比较和分析132 7.8.4 综合性能评价134 本章小结135 第8章 组合管径换热设备的流路布置和 设计研究137 8.1 问题的提出137 8.2 物理模型138 8.3 计算关联式138 8.3.1 翅片侧138 8.3.2 管内侧换热139 8.3.3 管内侧阻力140 8.4 数值方法141 8.4.1 物性参数141 8.4.2 网格划分141 8.4.3 单元求解143 8.4.4 相变界面定位144 8.4.5 迭代求解144 8.5 计算结果校核146 8.6 软件开发及应用147 8.7 实际流路的优化设计159 本章小结164 参考文献165