本文是一篇机械论文，本文通过理论分析与实验研究，针对单根波纹翅片管波纹参数进行了优选并得到最佳波纹参数，通过实验确认了基于最佳波纹参数的波纹型翅片管束较平直型翅片管束更优。
1绪论
1.1引言
伴随着全球工业化的快速发展，环境问题和能源问题愈加严峻，世界各国都意识到了实施可持续发展的重要性。随着我国双碳理论的逐步推进以及关键节点2030的快速到来，节能减排已经成为学术界与工业界的共同目标。在这一背景下，工业汽轮机作为工业生产的能源消耗大户，降低耗水量，提高性能指标和运行特性就显得十分重要。因此耗水量较大的水冷凝汽器在汽轮机领域使用越来越少，而是逐步使用空冷凝汽模式来替代水冷凝汽模式[1]。空冷凝汽模式又可分为直接空冷系统和间接空冷系统，间接空冷的汽轮机比直接空冷的汽轮机背压可以做到更低，整体能量转换效率也就更高[2]。总之，使用空气且低背压的间接空冷凝汽模式可以大大降低耗水量、改善燃料消耗和碳排放当量[3]。因此，间接空冷系统已成为冷凝式汽轮机领域的发展趋势。提高间接空冷系统的效率、降低能耗也成为目前企业研发工作的重点。
间接空冷系统主要有混合式凝汽器间接空冷系统和表面式凝汽器（以下简称“表冷器”）间接空冷系统两种形式。其中，混合式凝汽器间接空冷系统又称海勒式间接空冷系统，表面式凝汽器间接空冷系统又称哈蒙式间接空冷系统。海勒式间接空冷系统一般适合气候温和、无大风、带基本负荷的现场。哈蒙式间接空冷系统缺点是空冷塔占地大，基建投资多，系统中需要进行两次换热，且都属于表面式换热，使全厂热效率有所降低。在我国北方很多地区都相对缺水，且气候环境变化大[4]。因此，利用表冷器间接空冷系统（以下简称“间接空冷系统”）并不断提升其换热效率更适合我国国情。间接空冷系统详见图1.1。
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1.2研究背景
目前，在国内的石油化工行业的间接空冷系统领域，空冷器常用四排平直型翅片管束作为空冷器换热单元[6]。其中，基管通常选用10号碳钢，直径为38.1mm，基管壁厚为2.11mm。翅片选用牌号为AL1060铝管在基管上经过轧制挤压成为平直型翅片并形成双金属轧制翅片管。管束布置形式使用四排错排分布，横向间距85mm，纵向间距74mm。每一排管的翅片密度依次为9FPI、10FPI、11FPI、11FPI，翅片高度依次为12.7mm、15.875mm、15.875mm、15.875mm。
不同于套片式矩形波纹翅片或者平直型翅片，轧制型翅片的波纹在制造上有较大难度，但是考虑到波纹翅片参数直接影响耗电的增加，如果没有理论依据的情况下，哪怕制造出来也未必有实际意义，因此很多翅片管厂家没有在轧制型波纹翅片管的研究方面投入太多资源。
综上所述，为了在石油化工行业汽轮机用间接空冷系统的空冷器领域，推动波纹型翅片管束替代平直型翅片管束，本文基于企业自研立项基础上，与翅片管厂家以及实验机构合作，专注于研究波纹翅片的波纹数量和波纹角度两组参数，且其他参数均与现有国内外主流空冷器厂家的参数保持一致，确保可以在不改变现有传统设计的基础上进行参数优化，更高效、更务实的推动轧制翅片管制造厂家的研制以及空冷器制造厂家的管束替代，进而达到提高能效、降低能耗的作用。
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2空冷器波纹翅片管束性能设计原理及其评价机制
2.1引言
翅片管是石油化工行业空冷器中核心的换热元件，是通过在基管外表面扩展换热面积来降低管内外传热能力不匹配的功能元件。翅片管有序组合形成的翅片管束，是空冷器换热单元的基本组件。由于间接空冷系统性能严重制约冷凝式汽轮机的能量转换效率，因此在石油化工行业汽轮机用间接空冷系统的空冷器领域，研究高效轧制波纹型翅片管替代传统的轧制平直型翅片管对于降低能耗以及碳排放，有着重要的理论和实际意义。根据前文总结的研究现状，虽然已有众多国内外学者从理论计算方法以及性能评价等方面翅片管换热器进行了研究，但空冷器基于管束实验的传热系数和传热单元数法取值算法以及管束定型结构等问题仍未形成共识、适用性理论缺乏，还缺少可直接通过换热量与空气侧流动阻力来对新型特定结构管束进行评价的方法，也未将管束制造成本考虑到空冷器管束评价指标中。
本章首先从理论出发，研究空冷器热工原理及其算法，提出与翅片管束迎风面对应的管束总传热系数及其空气侧流动阻力是空冷器热工计算的关键因素，阐述了简化的管束总换热系数及其空气侧流动阻力系数经验算法，通过最小二乘法对实验数据进行了拟合，得到了管束总换热系数及其空气侧流动阻力系数。根据已知特定管束结构的翅化比，得到转化的管束总换热系数。基于管束总传热系数和传热单元数法，得到对数平均温差和管束迎风面积，从而得到空冷器的翅片总面积。并基于此理论给出空冷器计算选型流程。最后，考虑到不同的波纹型翅片管结构参数影响管束总换热系数及其空气侧流动阻力系数的程度不同，为了获得翅片管最优综合性能而引入并推导了基于效率与能耗的等驱动功率评价指标和综合性能对比指标以及基于管束制造成本的综合成本指标。
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2.2空冷器管束性能设计原理
空冷器通过消耗电能，将环境自然风转换为强制冷空气即管束迎面风，迎面风吹过翅片管时将管内循环水的热量带走并达到设计温降，风作为冷流体被加热后排入大气。
总传热系数是研究所有换热器的核心要素，是空冷器热工计算的关键之一。随着管束种类越来越多，传统的经验公式已无法满足设计要求，现在大多数管束传热系数算法都是通过实验数据并拟合出相应经验算法[45]。本文通过管束实验测算的与迎风面对应的管束总传热系数Kyfi，并基于其总传热系数的目标函数，使用最小二乘法进行拟合，得到与迎风面对应的传热系数波纹翅片管束Kyf。
综上，本节将从管束热负荷的计算、与迎风面对应的管束总传热系数的计算、对数平均温差以及管束迎风面积的计算、空冷器管束空气侧流动阻力等四个部分来阐述空冷器管束性能设计原理。
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3基于响应面法的波纹翅片管结构设计与仿真优化及实验................24
3.1引言.............................24
3.2波纹型翅片管数值模拟参数化几何模型............................24
4基于最佳波纹参数的管束仿真与实验及其数据分析....................50
4.1引言.........................50
4.2基于最佳波纹参数的管束几何建模与仿真计算......................50
5基于波纹型翅片管束的空冷器设计系统实现与应用....................76
5.1引言..........................76
5.2系统开发方案以及系统概述...................76
5基于波纹型翅片管束的空冷器设计系统实现与应用
5.2系统开发方案以及系统概述
为了实现计算系统多工况、变工况的设计计算能力，同时兼顾模块化、简单易用且后续兼容性以及扩展性等要求，本系统基于采用目前互联网项目开发的业界主流方式，使用前后端分离的策略，通过前端设计加后端开发以有效的进行系统解耦[72]-[74]，详见图5.1。
机械论文参考
系统有两大关键技术，一是基于波纹型翅片管束的空冷器热力计算以及选型方法，二是系统程序架构。
基于波纹型翅片管束的空冷器热力计算以及选型方法，首先给定表冷器循环水出口参数、气象条件并设定管束类型、迎面风速以及给定初始设计温升。基于管束结构、迎面风速以及气象条件得到传热系数以及空气密度和比热容，通过预估空气温升设计初始结构并通过迭代进行准确空气温升的计算，并得到空冷器迎风面面积和对数平均温差等热工数据。通过迎面风速的调整选定管束静压选择风机并通过结构合理性评估方案的合理性。最终输出热工计算数据表、变工况性能曲线。
系统程序架构，选择数据库MySQL、阿里云服务器、后端Java以及前端Vue.js。使用微服务程序架构，提高程序的稳定性、高可用行、运行速度等性能，完善新数据的数据库保存过程，对于程序使用用户近一步实现增删改查，并保证系统的可扩展性。
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6总结与展望
6.1总结
翅片管束作为工业汽轮机行业关键的空冷器换热核心部件，广泛用于石油化工、发电等行业，其传热系数以及空气侧流动阻力是空冷器性能的重要保证。本文针对石油化工行业用的轧制波纹型翅片管束传热以及阻力特性问题，从理论分析、仿真选优及实验分析与应用研究等方面结合进行了研究，并得到以下结论：
1）根据理论分析，推导了空冷器换热计算原理以及基于特定管束结构给出了基于传热效率与传热单元法的空冷器计算方法，基于综合性能对比指标评价标准调整了目标函数，为后续仿真选优和实验分析奠定理论基础；
2）以单根波纹型翅片管为研究对象，采用参数化几何建模，利用CFD软件的网格划分、流体流动计算、响应面以及响应面优化等功能模块，基于波纹型翅片管综合性能对比指标为目标函数，实现模拟仿真参数化模型到响应面寻优的联合。通过拉丁超立方抽样、克里金响应面以及MOGA响应面优化进行寻优计算，确定最佳波纹型翅片管参数，得到波纹数目为6个，波纹角度为8°时，综合性能对比指标最佳，相对目前平直型翅片管综合性能提高8.9%。并通过单根波纹性翅片管性能实验进行了验证；
3）考虑到单管无法直接直接应用于工程，将单管最佳波纹参数赋予到平直型翅片管束中，并设计新型波纹型翅片管束虚拟样机，通过对虚拟样机仿真计算分析验证了最佳单管的波纹参数对管束也有价值。基于虚拟样机制造了波纹型翅片管束并对其与平直型翅片管束进行了对比实验，通过对两种翅片管束物理实验结果进行分析，对比其综合性能和综合成本对比指标，再通过对比研究以及数据分析来确定波纹型翅片管束的应用价值和相关算法。其中：1）迎面风速为1.6m/s时，管束试样的综合成本指标达到峰值。即在本分析模型中，两种管束式样均在1.6m/s的迎面风俗下是最优风速；
参考文献（略）