管壳式换热器壳侧传热与阻力性能的实验研究与预测

设计并建立了换热器传热与阻力的综合性能实验台,对1种弓形折流板换热器和2种连续螺旋折流板换热器壳侧的传热及阻力性能进行了实验研究,实验介质管侧为水,壳侧为油;同时基于壳侧传热实验数据;应用遗传算法预测了换热器的总换热量。实验结果表明:在相同的壳侧流量下,螺旋折流板换热器的阻力要高于弓型折流板换热器,正进正出螺旋折流板换热器的阻力高于侧进侧出螺旋折流板换热器;螺旋折流板换热器的换热系数高于弓型折流板换热器,侧进侧出螺旋折流板换热器高于正进正出螺旋折流板换热器,而且流量越大这种优势越明显。预测结果表明通过遗传算法得到的传热关联式所得的换热量比采用线性回归所得的更加接近实验数据,表明遗传算法可应用于工程中换热设备性能的预测。     

渐扩渐缩波纹通道内脉动流的传热强化

采用曲线坐标系下压力与速度耦合的SIMPLER算法, 数值研究了周期性渐扩渐缩波纹通道内脉动流动与换热情况,流动Re数的范围为10～1000,Pr数为0.7.计算考察了不同Re数、脉动频率以及振幅对通道内强化传热和压力损失的影响.研究结果表明,稳态下Re数大于40以后,流动出现分离,Re数大于600以后,流动显得复杂和混乱;受入口脉动流的影响,通道内的旋涡发生周期性的脱落、增长和迁移,从而增强了流体之间的扰动和掺混,强化了传热;传热的强化效果随着流动Re数、脉动频率以及振幅的增大而增强;另外,流动阻力随着无量纲时间呈正弦规律变化,但与脉动频率无关.     

除湿条件下波纹通道内对流传热传质的数值研究

通过数值计算对紧凑换热器一种波纹翅片通道内除湿条件下周期性充分发展的对流传热传质情况进行数值研究。计算采用曲线坐标系下压力与速度耦合的SIMPLER算法,湿空气流动Re数的范围为100～1100,Pr数为0.71,Sc数为0.61。讨论了不同波纹高度、波纹间距对阻力与换热的影响,给出了不同Re数下的浓度场,并对动量、传热及传质进行了定量比较分析。计算结果表明,整体Nu数及fRe数随着波纹高度的增加或波纹间距的减小而增加;浓度随着Re数的增加沿着流动方向迅速降低;计算能较好的满足Chilton-Colburn相似,表明传热特性均可类推到传质特性中去。     

遗传算法在板翅式换热器尺寸优化中的应用

提出了应用遗传算法对板翅式换热器的尺寸优化方法。该方法根据不同设计要求,把换热器的重量或效率分别作为遗传算法的目标函数,冷热两侧的翅片间距、高度作为待寻找最佳值的优化变量。设计方法的实施包括遗传算法程序和性能校核程序两大模块,其中遗传算法程序采用二进制编码、锦标赛选择、均匀交叉和单点变异,以及采用基于小生境下的共享技术和择优策略;性能校核程序中根据个体解码后的结构尺寸进行性能评价。应用结果表明,与原始数据比较,换热器的重量(效率)都有不同程度地减小(增加),但在工程实际中不宜采用效率最高为目标函数。该文的设计方法具有通用性,可作为优化设计不同换热器的结构尺寸。     

环形通道内层流入口段换热及流体变物性的影响

采用SIMPLER算法对环形通道内二维定常轴对称入口段流动与换热进行了数值计算, 研究了两种边界条件下的层流流动与换热规律, 给出了不同Prandtl数以及半径比率下沿程Nusselt数的变化曲线,同时还给出了流体物性随温度变化对流动与换热的影响, 最后还拟合出了不同半径比率下平均Nusselt数的关联式.计算结果还表明,环形通道能强化传热,强化程度随半径比率减小而增大,且入口段的换热强化与其较高的径向速度有关.     

连续螺旋折流板管壳式换热器动态特性研究及预测

建立了可进行壳管式换热器动态特性试验研究系统,通过试验研究的方法对水-油为换热工质的连续螺旋折流板管壳式换热器动态特性进行了试验研究,进口流量扰动为等百分比流量特性,研究了4种流量扰动方式下水和油出口温度的动态响应。同时研究了在一定Re数下,不同的流体扰动量对换热器进出口温升的影响,得到了换热器进出口温升与流体扰动量之间的关联式。实验表明,液液换热系统温度的动态响应时间比较长,研究发现在正负的流量扰动下,换热器进出口温度变化呈现线性变化,进出口温升在正负流量扰动下其变化曲线具有对称特征。分别建立了有限差分数值预测模型及人工神经网络模型对换热器油侧的出口温度进行了动态预测,预测结果与试验值符合良好,人工神经网络的预测结果要好于数值模拟预测,其偏差绝对值在1.3%以内,表明人工神经网络在进行复杂的系统辨识时具有一定的参考及应用价值。     

三种翅管式换热器传热与阻力特性的试验研究

为考察大管径下不同翅片形式对空气侧强化传热的影响,对6排平直,开缝、纵向涡翅片管换热器空气侧的传热及阻力性能进行了试验研究,发现开缝翅片的传热性能高于纵向涡翅片和平直翅片,但相应阻力也增加,在试验的Re数范围内整理出了传热和阻力的关联式,并分别在相同质量流量、相同压降和相同泵功三种准则下对三种换热器进行了传热与阻力的综合比较,结果表明开缝翅片综合性能高于平直翅片和纵向涡翅片.     

管内强化传热性能的熵产分析与性能评价

通过热力学第一、第二定律,对管内对流换热综合性能进行熵产分析和评价.建立了一种基于流动与传热过程熵增原理的统一分析方法,在等壁温边界条件下进行熵产分析.并以文献中内翅片管的强化传热作为应用,分别对相同流量、泵功、压降在等热负荷限制下进行强化传热性能评价.结果表明：对于给定的管道,量纲1熵产数只与流动Reynolds数和进口与壁面的温度差有关.利用该分析方法不仅可通过参数分析获得几种强化方式的能量综合利用效果,还可确定合理的流动工况参数、结构参数和合理的强化形式.     

基于粒子群算法的内外翅片管换热器优化

粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,简称PSO)是一种新型的优化算法,今把PSO应用于内外翅片管换热器的结构尺寸优化,建立了物理数学模型,开发了C 程序.把体积作为优化目标函数,以换热面积和压降作为约束条件,对管子横向间距、纵向间距、管排数、外翅片间距、换热器在与热气流垂直方向的长度进行了优化,并与利用遗传算法的文献结果对比:在相同的设计参数和相同的优化变量搜索范围条件下,体积减小9.5%,重量减轻16%,优化计算时间减小一个量级,PSO应用于换热器优化设计优于遗传算法.