水泥行业的能耗和污染问题十分突出。在水泥生产过程中产生大量余热,若能充分利用,既可以满足企业用电需求,又能降低成本提高经济效益,还可以减轻热污染和环境污染,是世界水泥工业发展的趋势。我国作为世界最大的水泥生产和消费国,充分利用水泥工业余热势在必行。在水泥余热回收系统中,余热锅炉受热面是热能转换的重要设备,高温烟气以外掠管束换热的形式,加热管内的水形成蒸汽进行发电。管束排列方式主要有两种,即顺排和叉排排列。顺排管束排列整齐均匀,具有较小的流动阻力,且易于清洗和吹灰,但其传热系数较小,换热效率低;叉排管束交叉布置,烟气通过管束间交替收缩和扩张的弯曲通道流动,湍流强度高,具有更高的传热系数,但流动阻力和飞灰沉积量较大。针对水泥余热利用中存在的问题,本课题组研发并制造了一台新型顺排错流换热器,应用于某水泥厂的工业余热集成利用系统,并构建了余热锅炉实验平台,依托于水泥工业生产而又相对独立。本文以顺排错流换热器为研究对象,采用数值模拟与实验研究相结合,以及多目标优化的方法,分析了换热器流动及传热特性。构建了换热器传热和流动、熵产及经济性的理论模型,选取SST κ-ω模型用于换热器数值计算。利用商业软件ANSYSFluent15.0,采用数值模拟的方法对换热器流动与传热特性进行研究,对顺排错流换热器与传统顺排和叉排换热器进行比较分析。数值模拟结果表明,顺排错流换热器的传热性能明显优于顺排和叉排换热器。在相同入口速度条件下,表面传热系数比顺排高37.5～78.8%,比叉排高32.7～66.7%,但压降和流动阻力也高于二者。对不同管间距的顺排错流换热器进行了数值模拟,分析管间距对换热器参数及流动传热特性的影响;当达到ST/do=2.0和SL/do=2.5以后,管间距的增大对传热和阻力影响很小。根据模拟结果拟合得到了传热与阻力性能关联式,并通过对换热器的综合性能进行评价,得出管间距组合为ST/do= 2.0、SL/do=2.0以及ST/d= 2.0、SL/d。=2.5的换热器综合性能最优。设计并搭建了换热器实验平台,依托水泥工业生产进行了换热器传热与阻力性能的大型工业实验研究,完成了不同热风温度、热风流量、给水流量等工况的水泥余热锅炉实验,分析不同工况特点对温度、压力、流量等参数的影响。与顺排换热器实验进行对比,在相同质量流量下,顺排错流换热器的表面传热系数高47.9～65.6%,但每排管束的压降也比顺排高1.6～2.5倍,换热器的有效度也优于顺排管束,具有高传热系数和高压降的特征。相同Res下顺排错流换热器的Nus比顺排高3.2～9.9%,fs比顺排高7.8～36.1%。顺排错流换热器具有更高的PEC*值,表明其壳侧综合性能更好。特殊结构使顺排错流换热器具有了非常高的管间特征流速,虽然大幅提高了传热性能,但却是以牺牲阻力性能为代价的。根据实验数据拟合得到了顺排错流换热器壳侧Nus和fs随Re.变化的实验关联式,与数值模拟结果吻合较好,验证了本文数值模拟方法的可靠性与准确性。综合考虑换热器各项性能指标,基于换热器实验工况条件,以包括换热管外径、蛇形管管屏数、管程数、管长、横向管距、纵向管距以及进口风温在内的共7个参数作为设计变量,分别采用传热量最大和压降最小为目标函数以及采用Ns,△T最小和Ns,△P最小为目标函数,使用Matlab遗传算法对工具箱换热器进行了多目标优化。在相同传热量前提下,以传热量和压降为目标优化后的换热器传热面积、总压降和总成本比原始设计分别降低25.1%、85.7%和32.8%。提出使用假设理想点的方法定位Pareto前沿上与假设理想点距离最近的点作为最优点,并与Q/NP取最大值处的最优点进行了对比。二者与原始设计相比,在相同传热量下,压降分别下降了 67.9%和69.7%,总成本分别下降了 2.4%和16.3%,优化效果明显。对于以Ns,△T最小和Ns,△p最小为目标函数的优化,除了假设理想点法定位的最优点外,总改进熵产数最小值处可作为最优点之一。给出了多个Pareto前沿上的最优点进行设计参数和优化结果的对比,可根据实际需要灵活选择设计参数。