1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1. 研究背景

换热器在日常生活中随处可见，其不仅仅是一种换热设备，更是一种实现物料之间热量传递的高效节能设备。换热器可广泛应用于石油、化工、冶金、电力等各个工业领域中。其中，换热器在化工、炼油设备中可占到总设备的40%左右，占总投资的30% -45% 。

目前,随着能源的日益趋紧,以能源为中心的经济、环境、社会等问题日益突出,能够节约能耗和合理有效的利用与配置能源显得更为重要。同时，换热器在经济与工业领域中对产品的质量、能量的利用以及系统的经济性和可靠性起着至关重要的作用，所以其传热性能的优劣对节约能耗有着非常重要的意义。20世纪60年新发展起来的一种新型技术可以强化传热，可用来提高换热器综合效率、降低其寿命周期费用。为了达到节约能源、降低能耗，提高工业生产中的经济效益，针对强化各种传热过程的研究势在必行。

强化传热技术可使换热器内部实现高效、紧凑的换热。也因此，研究可用来强化传热过程的基本元件一直备受学者们的关注。换热器内的强化传热过程主要就是通过提高传热系数K、扩大换热面积A或增大平均传热温差可以达到强化换热器内部的换热过程的目的。强化换热设备的传热过程主要是为了达到以下4个目的:

(1)缩小初始设计的传热面积,从而缩小换热器的质量和体积；

(2)提高现有换热器的换热能力；

(3)使换热器能在较小温差下正常工作；

(4)减小换热器内部的阻力，从而减少换热器内部的动力消耗。

当然，不同的工业需要的强化传热技术也各不相同，如缩小初次设计的传热面积以缩小换热器的质量和体积，或提高现有换热器的换热性能，或扩大换热温差。因为上述几个目的之间相互制约，所以这些目的不可能达到同时满足。因此，必须综合考虑到生产时的具体任务、换热设备的质量、体积、投资及操作费用等，然后再选择合适的强化技术。目前，对传统换热器强化传热的研究与发展主要集中在三大方面：一是研发新式换热器，如振动盘管式板、翅式、板式、螺旋板式等，这些换热器的换热效率比传统换热器有巨大的提高；二是对套管换热器采用一系列的强化措施。具体来说，就是用各种异型管替换已有的直管，现较为常用的异型管有内翅管、螺纹管、波纹管、横槽纹管及管内插入强化物质；三是用能系统的优化与换热设备的强化组合，就是逐级利用能量，使能量的使用处于最合理的配置，降低能耗，从而实现全系统的节能。

2. 强化传热技术

对传热性能改进的研究称为”传热强化”。一系列有效的强化措施可以大幅度的提升普通换热器的换热性能。其中最常见的强化措施是管内传热强化和管外热强化。本课题集中研究的就是关于换热器的管内热强化的表面强化传热。

强化传热技术中，最为常见的强化手段之一是使换热表面变得复杂且有周期性。在工业领域中，大部分流动通道的截面形状的变化沿流体流动的方向呈周期性。Patankar 等人在1977年时就率先提出周期性充分发展的流动与换热这一概念。周期性充分发展流动与换热问题受到很多研究者的关注，对其进行数值模拟是计算传热学应用研究中的一个重要课题。基于以上的理论，研究者们研发出波纹型换热管。它在已有的管壳式换热器的基础上，通过改善流体流动状态来达到强化传热目的的一种新型传热元件。它不仅仅继承了管壳式换热器耐温、耐压性能好的优点，又很好的克服了其缺点，这让它具有很强的实用性，可以应用在更为广泛的领域里。

3. 强化传热的研究方法

通常有理论法，实验法和数值模拟法。

3.1理论法

利用理论推导，计算分析等方法去验证猜想。雷筱芬利用不同的计算公式分析出能更准确的计算出湍流传热膜系数的计算公式。

3.2实验法

实验法是一种控制一些与实验结果无关的因素并有计划地改变某些实验条件，之后通过检测因这些实验条件改变而伴随的现象，从而确定条件与现象之间的因果关系的研究方法。

刘文武等人通过实验对比了普通套管换热器与内管插螺旋线圈套管换热器用于蒸汽-空气传热及波纹管降膜蒸发套管换热器与光滑管降膜蒸发套管换热器用于蒸汽-水传热的传热效果，探求出了一些强化套管换热器的办法。

国外学者Oyakawa.K等人用实验方法得到了压力及换热系数沿流向的分布规律，并分析了流线与流通通道壁面之间的相位差关系对流动与换热产生的影响。

3.3数值模拟法

近年来，随着高速计算机的出现与现代计算技术的蓬勃发展，以及湍流模型的不断发展与完善，数值模拟已成为研究传热学的一种重要方法。而其中更多的是使用Fluent软件进行模拟，也有用其他软件进行建模模拟的。

在对套管换热器湍流对流换热的数值分析时，俞接成等人运用Fluent软件，采用二维轴对称方法和 k - ε 模型对套管换热器整体进行了数值模拟。对湍流状态条件下的流动与传热进行了研究。同时，为了获得传热管对换热器换热性能的综合影响，分别模拟了光管和波纹套管换热器在湍流情况下的换热性能。通过数值计算比较其流体流动特性和换热性能。

由于波纹套管对换热效果的影响十分复杂，以理论法和实验法为主要研究方法都不能满足研究的需要。故本文将针对波纹套管的换热特性和流动阻力的影响进行数值模拟。与实验研究相比，数值解法具有以下一些优点：

（1）经济性好。相比实验研究，利用计算机软件进行模拟并预测能有效节约成本。

（2）研究周期短。相比实验研究，计算机的高速运算能在短期内得到最佳方案。

（3）数据完整。相比实验研究，利用软件对一个问题进行数值求解可以得完整的数据。它能得出整个可计算区域内所有相关变量（如速度、压力、温度、浓度等）的值。

（4）具有模拟理想条件的能力。相比实验研究，在数值计算中很容易就能达到理想条件，例如：常物性、绝热条件、湍流流动的充分发展等。

4. 波纹套管式换热器

波纹套管换热器是工业领域常用换热器形式，具有传热效率高、不易结垢、热补偿能力强等优点。其中波纹管是一种较为理想的双面强化管，如图1 所示。

4.1波纹管的强化传热技术

波纹管内部的传热原理是采用呈周期性变化的复杂构造，利用波峰波谷处流速、压力的变化产生双向扰动，使通道内流体受空间周期性的扰动，不断改变流体的流动方向，高效地破坏了热边界层，使边界层内流体不断与中心区流体交换，增加近壁处流体层的温度梯度，是使换热得以强化的行之有效的措施，但同时也会增加流动阻力。

4.2波纹管的强化传热研究状况

近年来，研究通过诱发流动的自发振荡，引发流动不稳定性，促使流体扰动和混合的换热表面成为新的研究热点，其核心是在换热得以强化的同时不致引起较大的压损，一次表面换热器就是在此背景下提出并发展的，其中波纹板换热器是实际应用较广的一种，许多学者对其层流和湍流状态下的换热和阻力特性进行了实验和数值研究。

Rush.T 和Newell.T A使用可视化方法对流体在3 种不同相位差(0#176;、90#176;、180#176;)的正弦波纹板通道内层流及过渡流的流动与换热机理进行了实验研究，发现流动分离点与Re 的大小和通道结构有关，随Re 的增加，流动分离点移向入口处，且分离点的出现会使局部的Nu 显著增加；通道上下表面的相位差对流动分离点的出现会产生重要影响，在Re 相同的条件下，反向相位的分离点的流动与换热进行了数值模拟，指出了流动中存在的自维持振荡可提高热质转换效率。

在国内波纹型换热管还未被广泛的应用，1995年东北大学的郎逵教授对波纹型换热元件进行了研究，给出了波纹管换热准则方程，并指出波纹管各尺寸的优化关系为：

从机理上探讨波纹管的强化换热原理，指出波纹型换热元件的换热效果普通光管的2～4倍。

之后，肖金花，钱才富，黄志新和安维峥等人为了研究波纹管的传热强化效果及机理，他们进行了对给某一给定的波纹管单管内部的流动和传热进行了数值模拟。并与一长度与波纹管长度相同，且内径等于波纹管小径的直管进行同样条件下的数值计算相对比。他们发现波纹管靠近管中心区的横截面流速比直管有较大提高, 且在波纹管的波峰处产生了回流。这一模拟结果表明在波纹管内部流体流动的湍动程度比直管内部的流体流动剧烈得多, 从而证明了波纹管具有良好的传热效果。同时还对比了工程中常用的三种不同管径的波纹管。他们发现波纹管的管径对其强化效果影响不大，而在管径一定时减小波纹半径能增大其强化传热倍数。周瑞，何海澜和白明爽也同样发现了这个规律。

1.3.3 波纹套管式换热器的研究状况

2003年左右波纹套管式换热器在市场及科学研究中还未过多出现，关于其传热特性在相应的研究中也甚少出现。商福民等人对波纹套管进行了实验研究，并利用实验得出的波纹套管的换热特性与光管进行了对比分析。经对比，由于波纹管管壁呈周期性变化这一特殊结构，使得流体在波纹管内流动时，其对流换热系数是在光管套管内流动时的3-7倍。除此之外，波纹管对抑制壁面结垢、承受高压、缓解热应力等方面也有一定的优势。之后，波纹套管式的研究也进入了发展期。谭秀娟等人以油田注汽锅炉套管换热器的优化设计为例，建立波纹套管换热器传热的数值模型，并根据正交试验设计的原理研究了波纹管结构参数对其换热和阻力的影响规律，根据对评价指标的综合评定，得到了最优的波纹管结构参数。为套管式换热器波纹管的设计和改进提供了有价值的参考。

6、总结

通过对国内外文献的学习研究，了解了换热器及管内强化传热的一些基本知识。本课题就是研究波纹套管的对换热器中传热的强化，通过HTRI设计一台套管换热器，利用DM建立模型并用Fluent软件对其进行数值模拟，来探究这种条件下的流体流动特性和传热特点，分析其对强化传热的影响，设计出一台波纹套管式换热器。

参考文献

[1] 秦叔经,叶文邦.换热器[M],北京化学出版社,2003:1.

[2] 张登庆,李忠堂,王宗明等.波节管管内换热与阻力特性的实验研究[J],2002,30(4):4.

[3] 李剑锋. 热交换设备传热强化技术[J],2010,31(09):145.

[4] 李祥华,宋光强.几种新型换热器的特点及使用状况对比.化肥工业.2001,9(1):78-80.

[5] Sun Dexing. Neue Bezugslaengen zur Darstsellung von Druckabfall und waermeuebergang bei geometrisch nicht aehnlichen Stroemungsformenals grundlage zur besseren Berechnung von waermeaustauschern.Dissertation.Fachb.13 Universitaet Essen B.R.D.1986.2.

[6] T.Yilmaz,Genernal Equations for Pressure Drop for Laminar Flow in Ducts of Arbitrary Cross Sections. Journal of Energy Resource Technology.1990,112(9):220-223.

[7] 李大鹏,焦增庚,孙丰瑞.管内与管外传热强化的热力学评价[J],电站系统工程,1999,15(3):7-8.

[8] 朱东生,谭祥辉,曾力丁.扭曲椭圆管内传热与压降性能的研究[J],化学工程,2003,41(1):13.

[9] Koichi Nakaso,Hiroki Mitani,Jun Fukai.Convection heat transfer in a shell-and-tube heat exchanger using sheet fins for effective utilization of energy[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2014:582-587.

[10] 雷筱芬.管内湍流传热膜系数的计算[J],江西化工,2004:33-38.

[11] Cengiz Yildiz,Yasar Bicer,Dursun Pehlivan．Influence of fluid rotation on the heat transfer an dpressure drop in double#8212;pipe heat exchangers,Applied Energy,1996,54(1):49-56.

[12] Khalid S．Syed,Muhammad Ishaq,Muhammad Bakhsh．Laminar convection in the annulus of a double#8212;pipe with triangular fins,Computersamp;Fluids,2011,44:43-55.

[13] 刘文武,杨宗政,刘振义.套管换热器强化传热实验研究[J],煤气与热力,2008,26(6):23-25.

[14] V.K.Grag and P.K.Maji.Flow and heat transfer in a sinusoidally curved channel.Int.J.Engng Fluid Machanics.1998,18(3):293-319.

[15] Timothy J．Renniel,Vijaya G．S．Raghavan．Numerical analysis of the lethality and processing uniformity in a double#8212;pipe helical heat exchanger,Chemical Engineering and Processing:Process Intensification,2010,49:672-679.

[16] Timothy J．Rennie,Vijaya G．S．Raghavan．Numerical studies of a double#8212;pipe helical heat exchanger,Applied Thermal Engineering,2006,26:1266-1273.

[17] Wen#8212;Lih Chen,Wei#8212;Chen Dung．Numerical study on heat transfer characteristics of double tube heat exchangers with alternating horizontal or vertical oval cross section pipes as inner tubes,Energy Conversion and Management,2008,49:1574-1583.

[18] 张晓露,武卫周,章文.螺旋槽管内传热及阻力特性的数值研究[J],2014,2(41):23-26.

[19] 张维蔚,魏瑾瑜,张伟杰,闫素英.套管换热器对流换热的数值模拟研究[J],节能技术,2014,32(183):18-21、41.

[20] 张静,吴剑华,龚斌.扭旋叶片组合方式对静态混合器湍流传热性能的模拟分析[J],制造业信息化,2012:2.

[21] 李军,王晨,桑芝富.强化传热管管内传热及阻力性能的数值研究[J],石油机械,2009,37(2):37-40.

[22] 俞接成,吴小华,刘全.套管换热器湍流对流换热的数值模拟[J],北京石油化工学院学报,2007,15(3):35-38.

[23] 陶文铨.计算传热学的近代进展.科学出版社,2000.

[24] 陶文铨.数值传热学.西安交通大学出版社,2001.

[25] 张 琳,钱红卫,俞秀民等.内置旋转扭带换热管的传热强化机理[J],机械工程学报,2007,43(1):139.

[26] 马小晶,崔来建,胡申华.扰流子结构对管内换热影响的三维数值研究[J],新疆大学学报,2013,30(1):115-119.

[27] N. Kasayapanand, T. Kiatsiriroat .EHD enhanced heat transfer in wavy channel.International Communications in Heat and Mass Transfer . 2005,32:809-821.

[28] Faghri M ,Asako Y. Numerical Determination of Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics for a Converging-Diverging Flow Channel [J] . ASME J Heat Transfer ,1987 ,109:606-612.

[29] 张晓露,武卫周,章文.螺旋槽管内传热及阻力特性的数值研究[J],2014,2(41):23-26.

[30] 郎逵.波节型换热元件的实验研究.东北大学学报(自然科学版).1995,16(4):438-441.

[31] 肖金花,钱才富,黄志新,安维峥.波纹管内的流动与传热强化研究[J],北京化工大学学报,2006,33(3):68-72.

[32] 周瑞,何海澜,白明爽.波纹管内湍流传热数值模拟[J],石油化工设备,2011,40(6):49-51.

[33] 商福民, 毕庆生, 张志正, 等. 波纹管与光管流体传热性能对比实验研究[ J] . 长春工程学院学报, 2003, 4(3) : 33- 35.

[34] 谭秀娟, 王尊策, 孔令真, 等. 套管式换热器波纹管的数值模拟及结构参数优化[ J] . 化工机械, 2013, 40(1) : 77- 81.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题属于设计模拟类题目。在湍流条件下，设计出一台套管式换热器。再通过数值模拟的方法,计算出湍流条件下波纹套管内在不同规格、不同雷诺数等条件下流动与传热特性,得出相关参数如换热系数、努塞尔数,进出口压差、摩擦系数等。

本课题先采用HTRI设计一台套管换热器。之后利用商用软件DM建立模型，并对控制区域进行网格划分，然后利用计算机软件Fluent进行计算分析。通过Fluent软件的模拟计算，得到一些必要的数据，通过计算公式得出所用纽带管努赛尔数Nu、摩擦因子f及热性能因子η的变化，从中得出波纹套管在湍流条件下传热及流动的特性。之后，比较两个软件的计算结果，确定并计算模型，并使用Fluent模拟出梯形三角形组合的波纹套管换热器，分析其对传热强化的影响,最后设计出一台套管换热器，绘制出图纸。