（化工过程机械专业论文）自转式转子与螺旋扭带的强化传热效果对比研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t e o 学科分类号 5 3 0 3 1 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 6 5 0密 级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名范永钊学号 2 0 0 8 0 0 0 6 5 0 获学位专业名称化工过程机械 获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源省，市，自治区项目研究方向 强化传热 论文题目 自转式转子与螺旋扭带的强化传热效果对比研究 关键词管程强化传热、自转式转子，螺旋扭带，凝汽器，c f d 模拟 论文答辩日期 2 0 11 5 2 8幸论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师关昌峰教授北京化工大学化工过程机械 评阅人l张有忱教授北京化工大学机械工程 评阅人2丁玉梅副教授北京化工大学聚合物加工成型 高级工程 答辩委员会主席赵月云北京化工研究院机械工程 师 答辩委员1杨卫民教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员2冯连勋教授北京化工大学聚合物加工成型 答辩委员3马秀清副教授北京化工大学聚合物加工成型 答辩委员4丁玉梅副教授北京化工大学聚合物加工成型 答辩委员5何雪涛副教授北京化工大学聚合物加工成型 答辩委员6张冰副教授北京化工大学聚合物加工成型 答辩委员7董力群副教授北京化工大学聚合物加工成型 答辩委员8党开放讲师北京化工大学机械一体化 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在( 中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 自转式转子与螺旋扭带的强化传热效果对比研究 摘要 能源作为我国国民经济发展的重要命脉，其供应紧张和利用效率较 低同时存在。中国能源研究会公布的一项数据显示：2 0 0 9 年，中国一次 能源消耗量为3 2 5 亿吨标准煤，同比增长了6 ，中国原油、天然气和电 力的消费量都分别增长一成以上，作为世界上煤炭、钢铁、铁矿石、氧 化铝、铜、水泥消耗最大的国家，中国己成为全球第一能源消耗大国。 作为一种重要的换热设备，管壳式换热器广泛应用在石油、化工、 钢铁、电力等领域，换热器是实现节能降耗的关键设备，因此换热器强 化传热及清洁技术的开发和推广是非常重要的。 本文首先对目前世界上各种换热器管程强化传热方法进行了阐述， 比较其中的优点与不足，其中大部分内插件或异型管都不具有排污除垢 的能力，在此基础上，提出了转子式强化传热与自清洁装置，与具有在 线自清洁与强化传热能力的螺旋扭带进行对比研究。本文从c f d 数值模 拟角度，分析了换热管加入内插物后，流场质点轴向速度分布及其对层 流边界层的影响，并利用模拟云图综合分析了各种导程的转子与螺旋扭 带的换热性能优劣，并以模拟条件为基础，利用实验验证每种换热元件 的换热性能与阻力性能，找出每种换热元件的努塞尔数与雷诺数、阻力 系数与雷诺数的关系，并通过工程中常用的p e c 标准评价，筛选出经济 性最优的换热元件从而指导工业应用。 关键字：管程强化传热、自转式转子，螺旋扭带，凝汽器，c f d 模拟 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h eh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n tc o m p a r i n ga u t o r o t a t i o n a l r o t o rt ot w i s t e dt a p e a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tl i f e l i n eo fn a t i o n a le c o n o m y ，e n e r g yi su s e di nal o w e 伍c i e n t ，a tt h es a m et i m e ，w ea r et e 丌i b l es h o r t a g eo fe n e 娼y c h i n ae n e r g y r e s e a r c hs o c i e t y1 e c e n t l yi e l e a s e dad a t a ：i n2 0lo ，c h i n a sc o n s u m p t i o no f p r i m a 拶e n e 唱yw a s3 2 5b i l l i o nt o n so fs t a n d a r dc o a l ，a ni n c r e a s eo f6 ，t h e c o n s u m p t i o no fc 1 1 l d eo 订， n a t u r a lg a sa n de l e c t 订c i t yw e r ea ui n c r e a s e db y m o r et h a n1o ，a st h el a 唱e s tc o n s u m p t i o no fc o a l ，s t e e l ，i r o no r e ，a l u m i n a ， c o p p e r ， c e m e n ti nt h ew o r l d ，c h i n ah a sb e c o m eam a j o re n e 玛yc o n s u m e r a sa ni m p o n a n th e a tt r a n s f e re q u i p m e n t ，s h e l la n dm b eh e a te x c h a n g e r s a r ew i d e l yu s e di np e t r o l e u m ，c h e m i c a l ，s t e e l ，e l e c t r i c i t ya n do t h e rf i e l d s ，h e a t e x c h a n g e ri s t h ek e yd e v i c et o a c h i e v i n ge n e 曙ys a v i n gm i s s i o n ， s ot h e d e v e l o p m e n ta n dp r o m o t i o nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n dc l e a nt e c h n o l o g y a g a i n s tt h eh e a te x c h a n g e r s i sv e 巧i m p o r t a n t f i r s ti nt h i st h e s i sw ew i l li n t r o d u c et h ev 撕e t ym e t h o d so fh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n ti n e x c h a n g e rt u b er e c e n t l y i nt h ew o r l dt o c o m p a r et h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e m ，m a nw ep r o p o s ea na u t o r o t a t i o n a l i i i 北京化t 人学倾i ：学位论义 r o t o r ，w h i c hi sah e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n ds e l f c l e a n i n gd e v i c e ，w e c o m p a r et h er o t o rw i t ht h et w i s t e dt a p e ， w h i c hi sa l s oa no n l i n es e l f c i e a n i n g d e v i c ew i t ht h e2 l b i l i t yo fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t i nt h i sp a p e rw eu s ec f d n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o r w a r et oa n a l y z et h ea x i a lv e l o c i t yo ft h ep a n i c l ei n t h en o wf i e l d ，a n dt h ee f f e c to nt h e1 a m i n a rb o u n d a 拶l a y e rw h e ni n s e r ti sp u t i nt h et u b e w eu s et h i ss o r w a r et oa n a l y s et h eh e a tt r a n s f e rp e r f o m a n c eb y c o m p a r i n gv a r i e t y1 e a do fr o t o r sa n dt h et w i s t e dt a p e t h e no nt h eb a s i so f s i m u l a t i o nc o n d i t i o n s ，w ed oe x p e r i m e mo ne a c hh e a tt r a n s f e rc o m p o n e mt o p r o v et h ep e r f o n n a n c eo fh e a t t r a n s f e ra n dp r e s s u r e d r o p ，i d e n t i 矽t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nn u a n dr e ，t h ef a n dr e ，a n du t i l i z i n gt h ep e cc r i t e r i a w i d e l yu s e di np r o j e c te v a l u a t i o nt os c r e e no u tt h eb e s te c o n o m yo n ei no r d e r t og u i d ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：m b es i d eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，a u t o r o t a t i o n a lr o t o r ，t w i s t e d t a p e ，c o n d e n s e r c f ds i m u l a t i o n i v e j 录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 强化传热理论研究2 1 3 换热管强化换热技术研究实例3 1 3 1 强化管4 1 3 2 管程插入物5 1 3 3 流念强化换热技术的探索6 1 4c f d 介绍及常见c f d 软件7 1 4 1c f d 方法的应用7 1 4 2c f d 方法在强化传热领域的应用8 1 5 本论文主要内容与意义8 1 6 研究对象简介9 1 - 6 1 洁能芯转子9 1 6 2 螺旋扭带1 l 1 7 研究本课题的方法1 2 第二章洁能芯与螺旋扭带换热性能的数值模拟1 5 第三章洁能芯与螺旋扭带换热性能的实验研究3 l v 5 6 9 9 1 l 1 o 厶 一程 一 一 一方析 一 一及分 一 格型果结网模结小分流拟章划湍模本 l 2 3 4 2 2 2 2 l 2 4 4 6 7 3 3 3 3 3 3 王 一 一 一果 一 一 士日 厶-， r 亡 ：l 让 ： 一 一 一验 一 一 1j 一 一 一的 一 一 一- u ，j 一 一 性 一比 !tl 一 一 一特 一对 ， 二，j 一 一 一力 一能 一 一证阻 一性 一 一验与析的 一 一的数分数置据度尔果尔装依精塞结塞验验置努验努 实实装实 1 2 3 3 4 4 口u q u 0 u 口u 口u 口o 北京化t 人学颁i j 学位论义 第四章结论与展望4 5 4 1 结论4 5 4 2 继续研究内容4 6 参考文献4 7 致谢5 1 研究成果及发表的学术论文5 3 作者和导师简介5 5 v i 9 o l 2 3 4 4 4 p b 卜p 寸 牙 比 的 一 对 一果 一 能 一结 一 性 一拟 一 的价模 一 数评与 一 系能果结力性结小 阻合验章 2 综实本 4 5 6 7 3 3 3 3 c o n t c n t s c 0 n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k 丹o u n d 1 1 2h e a t 啪s f e re n h a n c e m e n tt h e o 叫2 1 3e x a m d l e so f t u b eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t3 1 3 1i n t e n s i f yt u b e s 3 1 3 21 1 1 s e r t si nt u b e s 5 1 3 3f l u i d i z a t i o nt e c h n o l o g yo f h e a tt r a n s f e re n h a n c 锄e n t 6 1 4c f di n t r o d u c t i o na n dc o m m o nc f ds o f h v a r e 6 1 4 1a p p l i c a t i o no f c f dm e t h o d s 7 1 4 2c f dm e t h o d si nd e s i g n i n go f h e a te x c h a n g e r 7 1 5t h es i 印i f i c a i l c eo f t h i sc o n t e n t 8 1 61 1 1 t r o d u c t i o no f t h er e s e a r c ho b i e c t s 9 1 6 1t h e j i e n e n g ) 【i n ”r o t o r 9 1 6 2t w i s t e dt a p e s 1 l 1 7m e t h o do f s t l l d y i n gt h i st h e s i s 1 2 c h a p t e r 2s i m u l a t i o no fh e a te x c h a n g ep e r f o r m a n c e 15 2 1m e s h 1 5 2 2m o d e lo f h e a tt r a l l s f e ra i l de q u a t i o n 1 6 2 3a n a l y s i so f s i m u l a t i o nr e s u l t s 1 9 2 4b r i e f s 啪m a r i z a t i o n 2 9 c h a p t e r3e x p e r i m e n to fh e a te x c h a n g ep e r f b r m a n c e 3 l 3 1e x p e r i m e n t a ld e v i c e s 3 1 3 2e x p 甜m e n t a l 嘶t 嘶o n 3 2 3 3v a l i d a t i o no f d e v i c ea c c u r a c y 3 4 3 3 1v e r i f i c a t i o nr e s u l t so f n ua n df 3 4 3 4a n a l y s i so f e x p 甜m e n t a lr e s u l t s 3 6 3 4 1p e i f o 彻a n c ec o m p 撕s o no f n u s s e l tn m n b e r 3 7 v i i 北京化t 人学f 颐i ：学位论义 3 4 2p e r f o m l a n c ec o m p 撕s o no fr e s i s t a n c ec o e m c i e n t 3 9 3 5c o m p r e h e n s i v ep 蚓f o m a i l c ee v a l u a t i o n 4 0 3 6c o m p 撕s o no ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s 41 3 7b r i e f s u n u n a r i z a t i o n 4 2 c h a p t e r4c o n c l u s i o n sa n de x p e c t a t i o n s 4 5 4 1c o n c l u s i o n s 4 5 4 2c o n t i n u er e s e a r c h 4 6 r e f e r e n c e s 4 7 a c l m o w l e d g e m e n t 5 l a c h i e v e m e n t sa n dp u b l i s h e dp a p e r s 5 3 ：b r i e fi n t r o d u c t i o n0 ft h ea u t h o ra n dt h em e n t o r 5 5 v i i l 符0 说i 刃 符号说明 换热管内传热面积，m 2 换热管外传热面积，m 2 用威尔逊图解法求解的斜率 管程对流传热热阻加上管壁热传导热阻之和，( m 2 k ) w 1 试验循环水的平均温度下的比热容，l ( j ( k g ) 。 转子转轴直径，枷m 转子中心孔直径，m m 试验循环水流量，k g s 。1 管程中的阻力系数 流量修正系数 冷凝器总体传热系数 修j 下后的总体传热系数 冷流体的质量流率，k g s j 努塞尔数 换热管进出口压力差，p a 体积流量，m 3 h 。1 或者l s 1 单位时间传热量，w 单位时间内冷流体获得的热量，l ( j s 。1 = k w 换热器壳程的换热量，w 换热器管程的换热量，w 凝汽器试验热负荷，k w 雷诺数 对数平均温差，k 或 i x 4 以q q t d 瓯 厂 e 砗 批肇 g q g q q 绋 贴舐 北京化t 人学颂i j 学位论文 冷流体的进口温度，k 或 冷流体的出口温度，k 或 凝汽器压力对应的饱和温度， 凝汽器循环水的进口温度，； 凝汽器循环水的出口温度， 热流体的进口温度，k 或 热流体的出口温度，k 或 截面流体的切向速度 粒子中心处流体的速度，m s 1 试验时冷却管管内平均流速，m s 。1 修正后冷却管管内平均流速，m s 。1 管程的换热介质的流速，m s 1 换热器管程流体的传热膜系数，w ( m ) 。1 换热器壳程流体的传热膜系数，w ( m ) 1 密度，k g m 。3 凝汽器对数平均温差， 初始温差，1 9 l r = f 盯一f l r ， 终端温差，包7 = f ，7 一f 27 - ， 动力黏度，k g ( m s ) 。1 x 乞 o o o l 乏 v k “ 呸 瓯 p 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 能源作为我国国民经济发展的重要命脉，其供应紧张和利用效率较低同时存在。 以火力发电为例，众所周知，火力发电是煤炭资源消耗的主力军，其完成发电需要经 过化学能一热能专机械能专电能的转变。而由热力学第二定律我们可以知道，在“热 能专机械能”过程中，不可能将热量都转换成有用功而不产生其他影响，因此在蒸 汽推动汽轮机转动的过程中势必会有热能的损失，而火力发电过程中，汽轮机排气损 失是能量损失的最主要部分，占一半左右，严重制约了电能转换效率的提高，如图 卜1 所示。 4 9 2 圈7 瞄锅炉、管道热损失 汽轮机捧气损失 4 2 其它能源损失 产生电能 图1 1 火力发电能量损失与节能空间 f i g 1 - le n e r g y - l o s s i n g 她de n e r g y s a v i n gi i lt h em e n n a lp o w e r 图1 2 化工厂换热设备普遍存在的问题 f i g 1 2w i d e s p r c a dp r o b l e i l l sa b o u tc o n d e i l s c re q u i p m e i l t 北京化t 人学硕i ：学位论文 由于火电厂凝汽器、化工厂换热器( 图卜2 ) 等的换热管内污垢堆积，换热管内 的污垢热阻和介质对流热阻占总热阻8 5 以上，严重的污垢堆积使换热效率差，而目 前我国临界火力发电机组效率约为4 2 ，与发达国家仍存差距。由此可见，提高能 源利用率尤为重要。 另外，由于管程流体趋于层流运动，由传热学可知该状态下流体换热效果不理想。 降低了凝汽器、换热器等工作效率，造成了严重的能源浪费。2 0 0 9 年中国能源研究 会公布：当年中国一次能源消费量同比增长6 ，为3 2 5 亿吨标准煤，中国原油、天 然气和电力的消费量都分别增长一成以上心1 ，作为世界上煤炭、钢铁、铁矿石、氧化 铝、铜、水泥消耗最大的国家，中国能源研究会同时预测，未来中国能源需求将继续 增长，化石燃料目前大概占中国能源消耗的9 l ，在2 0 2 0 年的时候将会减少到8 5 ， 因此在我国能源消耗当中，仍然占据很大的比重，提高化石燃料的能效，转变经济发 展模式，掌握发展主动权，是一项长期任务，最根本要靠科技的力量。全球气温在最 近几十年的明显上升对自然生态系统以及人类赖以生存的环境的影响是负面的，要求 我们必须高度重视口1 。因此，节能减排对于生态环境的稳定以及国民经济的发展具有 现实重大意义。在石油、化工、钢铁、电力等领域，低效能、高污染的企业仍普遍存 在，切实贯彻落实节能减排措施，有必要在这些领域提高传热效率及改善换热设备。 作为一种重要的换热设备，管壳式换热器在石油、化工、钢铁、电力等领域有着 极广泛的应用，因此，为实现节能减排的任务，对现有管壳式换热器进行清洁、节能 技术的改进是十分必要的h 1 。 1 2 强化传热理论研究 作为可以提高换热系数的方法，强化传热的技术研究由来已久。传热学将此技术 分为主动、被动强化传热。主动强化因人为干涉而具有不确定性，而被动强化传热是 实际应用中比较常用的技术。被动强化即改变流动的状态或扩大传热面来提高传热效 率嘲。清华大学过增元教授用“场协同”理论m 1 阐释了强化传热的本质，该理论认为 减小温度梯度与传热媒介之间的夹角能够有效的提高传热效果，即流动介质的状态 ( 层流或湍流) 不仅能够影响对流传热的效果，流动介质速度等其他条件不变的情况 下，其流动方向与温度梯度的协同角大小也是影响传热的重要因素。后来该理论经过 不断发展，孟继安口1 在该理论的基础上得出当流动方向与传热方向一致时，换热效果 与速度的一次方有关，得到n u s s e l t 数与r e y n 0 1 d s 数的一次方成正比的结论。通过 场协同理论可以得到关于对流传热的如下结论：( 1 ) 增加流体的扰动后，部分流体质 点速度矢量与换热管径向方向的协同度较好，即减小与传热方向的协同角，从而起到 2 第一章绪论 点速度矢量与换热管径向方向的协同度较好，即减小与传热方向的协同角，从而起到 强化传热的目的；( 2 ) 减薄边界层或增加避免附近的速度梯度有利于降低中心流体与 管壁附近流体热传导热阻，从而起到强化传热目的。以上结论均证明了单项对流传热 的强化途径与场协同理论符合，具有指导作用。当然，随着场协同理论的不断发展， 其普适性也得到了证明，孟继安m 1 等在管内湍流换热努塞尔数与局域时均参数的关系 式的基础上，分析了传热管管程流体流动状态对换热效果的影响，总结了湍流换热与 层流换热的区别与联系，在此基础上给出了一种适合以上两种流动状态强化换热的新 型异型管：交叉缩放椭圆管。随着场协同理论的不断发展，也衍生了其他的相关强化 传热理论及实用新型换热管，同时反过来促进该理论的不断发展。 “场协同”及其衍生理论不断发展，也被当今的学者共认为强化传热的基本理 论，本文“自转式转子与螺旋扭带的强化传热效果比较”的研究与撰写同样离不丌该 理论的宏观指导。 1 3 换热管强化换热技术研究实例 在实际应用当中，管壳式换热器面临的最主要问题有传热效率低，易堵塞等缺点， 造成了能量的损耗以及不必要的停工等问题。增加传热面积固然可以提高传热量，但 是从节省设备投资费用以及设备结构紧凑性方面考虑，换热面积不能无限制扩大，因 此在不改变换热面积的情况下，强化传热即降低传热热阻旧3 。由“场协同”原理我们 知道管程强化传热的途径主要为以下三点： ( 1 ) 减薄或破坏边界层； ( 2 ) 形成二次流，即置换中心区与边缘区的介质，强化对流传热效果； ( 3 ) 增加湍动。 在提高管程传热系数方面，多年来国内外学者进行了大量的卓有成效的相关研 究。在不改变换热器整体结构的情况下，已成功研制出多种强化换热管，无论在结构 还是在性能上都有所创新，其中表面强化传热管与带内部插入物的传热管是两种能有 效提高换热系数的方法n 叭。 目前，相关人员己研制出多种强化管，如横纹管、螺旋槽管、凹凸管、波纹管、 螺旋管、水平微肋管、波纹内翅片管、缩放管、螺旋椭圆扁管和异形管。内插件也有 很多成果，例如静态混合器、螺旋线圈、螺旋刷、螺旋叶片、错丌扭带等，部分表面 强化管或带内插物的强化管已得到了论证并用于实际工程中1 。 北京化丁人学硕l ：学位论文 1 3 1 强化管 强化管是通过改变换热管内表面或外表面的形状、结构等来改变换热管的表面质 量，以此来扩大换热面积，提高强化传热；或改变流体介质与换热管接触时的表面质 量，增大粗糙度，使壁面凸出部分接近中心区的流动，即伸入湍流区，对流体质点形 成额外的阻力，破坏原来的层流状态，是流体阻力不再是层流区的黏性力起主导作 用，以此将层流状念发展到湍流状态，提高传热效率。 波纹管u 2 3 是具有代表性的一种强化管，它是在管壁内外表面具有连续横向波纹褶 皱而形成的管壳。由于管内流体经过时边界层受到管壁波纹的扰动作用，同时边界层 减薄，从而达到了强化传热的目的。 肖会花n 舢等对波纹管在不同的雷诺数条件下的传热效果进行了研究，利用c f d 数 值模拟，以直管( 光管) 作为参照对象，经分析后得出在雷诺数约为1 6 0 0 附近，波 纹管的换热效果最好；而在其他区域，其换热效率约是光管的2 倍；研究发现，流体 经过波纹的波峰与波谷时会产生回流，使流动区域湍流状态，这是决定波纹管换热性 能的主要因素。g r e g o r yj 等n 钔对换热管的传热与阻力性能做了实验研究，他以螺旋 翅管作为研究对象，同样以光管作为参照，螺旋翅管依靠外表面的翅片来增加换热面 积，从而提高换热效果。实验在较高雷诺数下进行，实验发现换热效果的好坏取决于 螺旋翅片角度的大小，而阻力系数f 主要受换热管直径大小的影响。 螺旋凹槽管 微内翅管 扭曲椭圆管换热器管柬 整体针翅管 螺旋管槽 图l - 3 几种典型的强化管 f i g 1 - 3s o m et y p i c a le n h a n c e dt u b e s 有人对斜向内肋管n 5 3 做了换热性能的研究，以示踪粒子记录。结果在不同的r e 4 b o 警野辫盈苣 第一。章绪论 数下，在靠近管壁的地方均产生轴向漩涡。轴向涡流幅度受r e 的影响而变化，甚至 可以产生一倍管直径的长度，r e 数越大，漩涡越明显，同时也对该种异型管的数值 模拟进行了分析，结果在管外表面斜凹槽作用下，管程和光滑的壳程套管之间有轴向 漩涡存在，流体流动状态复杂，当雷诺数较大时，比光管的换热系数提高一半左右， 而阻力系数印增加了6 0 7 0 。陈姝郇等在异型管强化传热方面的性能做了大量的工 作以及细致的描述，如图1 3 所示，不再赘述。 异型结构换热管对强化传热的效果有目共睹，它能够从传热机理上即通过破坏层 流边界层、增加湍动或扩大换热面积等方面去提高传热性能，因此对不同结构的换热 管的研究也令许多国内外的学者趋之若鹜，试图不断的优化设计新结构。但是，异型 管给实际生产中造成的问题即是：它极容易滋生污垢并最终堵塞整根换热管7 1 。因为 异型管的齿、翅、槽、棱等特殊结构为污垢沉积提供良好的条件；另外，异型管仅限 于实验、数值模拟阶段，由于其复杂的结构导致其生产加工异常困难n 引，使其几乎不 可能在工业中成规模应用，即是可以生产也需要考虑成本问题。因此，在工业应用中， 仅靠改变换热管的结构来提高强化传热的途径是行不通的。 1 3 2 管程插入物 强化传热一般分为主动强化( 有源强化) 和被动强化( 无源强化) 两类，主动强化传 热技术受到外加能量等因素限制，因而工程中主要采用被动强化传热技术n9 | ，而管程 强化传热技术多属于被动强化传热。j 轴向均布热电偶 钐形钐形彩钐形缎钐形形乏钐i i o 赫i 爵：孑钐钐 丁_ _ l n n o w 镕 麓鹭融= j 心专寸心心。专心、：忒心心0 寸专心忒心黼涨泠 电加热器 图l 一4 螺旋桨式涡流发生器 f i g 1 - 4p r o p e l l e rt y p l es w i r lg e n e r a t o r s 针对强化管能够提高换热系数但是不能解决污垢沉积问题，许多学者研制了各种 管内插入物，希望通过管内插入物的振动、旋转等来抑制污垢的生成。其中有弹簧、 5 北京化t 人学顾i ：学位论文 涡流发生器、静态混合器、叶轮机等具有代表性的内插件心0 i 。由于内插件种类繁多， 本文仅对内插弹簧、涡流发生器等装置做简要叙述。华南理工大学肖宏亮等瞳对内插 弹簧的防污除垢与换热性能进行了实验研究。他以饱和碳酸钙为介质，在加热管中放 入弹簧，其目的一是为了能够增加流体的扰动程度，二是利用流体介质对弹簧的冲击 力使弹簧振动刮擦管壁，以防污垢的生成。该研究发现若驱动弹簧振动，介质速度需 要在某一最小速度之上，若低于此速度，弹簧整体不会发生振动，对管壁内侧的污垢 生成也没有任何的抑制作用，反而会加大了流体的阻力。针对换热器管中插入弹簧的 实验研究心2 1 也曾表明：在相同实验条件下，管内壁受弹簧振动的刮擦，没有明显的污 垢生成，可以提高设备的抗腐蚀能力，延长寿命，但即使能够使换热系数提高4 6 倍 左右，总体压降也达到了光管的1 0 倍之多，能量损失严重，且对管壁的刮擦严重， 且有丝状杂物缠绕在弹簧上，从而限制了其工业应用。 涡轮发生器雅加也是具有代表性的一种内插件，近年来受到不少研究学者的青睐。 如图卜4 所示，该方法是在管内轴向每隔一定的距离安放一个中心有孔、四周连有叶 轮片的装置。当流体介质经过时，其叶片对流体有驱动作用，增强了湍流程度从而达 到换热的目的。但是该方法不能够有效清除管内污垢啦4 j ，尤其在两个涡流发生器装置 中间段的管内壁处容易产生污垢，而且由于涡流发生器在其所在位置处管内横截面内 占有面积较大，因此压力降明显，经济性较差。当然，管内插入物的形式多种多样， 但是换热或除垢机理基本一致，即都是通过管内插入物的震动、旋转等刮擦换热管管 壁来破坏层流边界层，同时来达到防污除垢的目的。其他的内插物强化传热元件有立 交盘、绕花丝、梯形波带等乜剐等，本文不再赘述。 1 3 3 流态强化换热技术的探索 该方法主要是针对低导热率的介质而言。因为在研究流体换热时，其导热率是必 须关注的问题，当流体介质导热率较低时，有学者将纤毛肋乜们放入到换热管中，其物 理性能能够帮助流体介质提高换热能力，同时，不同的纤毛肋在管内的排列方式对换 热性能的影响也不相同，该技术也受到了越来越多学者的追捧。但是在液态强化传热 技术方面，最新的技术是将纳米粒子( 纳米级金属) 投入到传热工质中，在保证粒子 与换热介质不发生化学反应的情况下，提高介质的换热能力心7 1 。二十世纪末，美国首 先提出纳米流体强化换热技术，使人们对纳米流体的利用有了新的认识。 此技术使人们联想到依靠其他微观粒子强化传热的方法。于是有人将四氟乙烯微 球啪1 投放到管程换热流体中，经过长期的实验观察，四氟乙烯微球能够在换热管中上 下波动并扰动流体，从而提高换热能力，关键在于由于微球的存在，使换热管内壁的 污垢结晶核被分离，从根本上扼杀了污垢的沉积。 6 第一章绪论 1 4c f d 介绍及常见c f d 软件 计算流体力学( c f d ) 是利用计算机与离散数据分析相结合的方法对流体力学进 行模拟分析的一门新兴学科。它是目前世界上受关注度较高的研究领域，将计算机的 技术用于解决动力工程及工程热物理中的传质、传热、燃烧等问题，以及与化学反应 中的过程模拟，研究成果广泛应用于石油、化工、航空航天、水力、医药等领域。在 涡轮叶片、汽车流线设计等诸多领域占有重要位置幽3 。计算流体力学与其他数值模拟 技术如计算传热学，计算燃烧学，都是根掘能量守恒方程、质量守恒方程、动量守恒 方程，来将三大方程的自定义及标量的微分方程组联立求解，其结果和过程能反映过 程变化的趋势及预判结果，并己成为过程装置优化、降低安全系数设计的有力指导啪1 。 计算机模拟的特点是在电脑上即可完成对数值模型的分析，它建立在基本的物理定理 之上，偏纯理论学科，很大程度上取代了利用斥巨资建造的实验设备，随着科技的不 断发展，其在科学研究和实际工程应用中都有越来越重要的地位。目前，f l u e n t 、j p h o e n i c s 、c f x 、s t a r c d 是较为通用的计算流体力学软件。其中f 1 u e n t 、c f x 应用 最为广泛3 。 1 4 1c f d 方法的应用 如上所述，该方法可应用于许多领域，近年来c f d 方法的使用主要是与实验验证 相结合并应用在流体机械、化工过程装置的优化设计、飞行器设计、管道分析、汽车 流线优化设计的研究等。 m s o z e n tm k u z a y 口鲫等对换热管内插入多孔介质的数值模拟进行了详细的 介绍，并论证的改方法的可行性； 陶文铨。僻1 等将计算机数值模拟技术应用到通用流体设备领域，并对一些特殊模块 采用计算机编程来解决，该方法具有重大的指导意义与实际工业应用价值。早在上世 纪中期，已经有学者利用c f d 模拟技术对汽轮机叶片周围流场的流动特性进行了分析 口4 | ，开创了该技术在旋转机械领域应用的先河，叶轮周围流场旋转流体分析计算得到 了很快的发展。后来无粘技术的模拟优化已达到了相对成熟的地步，并引导工业设备 过程改造。7 0 年代中后期，该技术越来越受到人们的重视，由于其不断得到发展， 也推动着离心泵内部流场模拟技术的向前飞跃式发展，同时也对流体机械的优化改造 起到了很大的作用，任涛口朝等以两片叶轮之间的流场为研究对象，经模拟分析后， 提出针对叶轮结构的改造方法。 7 北京化t 人学顾l ：学位论文 1 4 2c f d 方法在强化传热领域的应用 针对管壳式换热器换热效率不高、易堵塞等问题众多学者进行了大量的卓有成效 的研究，其中，计算流体力学模拟分析作为一种可以研究换热器管内流场流动状态的 方法，可以节省实际实验设备所消耗的巨大浪费，并且缩短试验周期，具有省时、省 力、稳定等优点，对换热器管程、壳程流场进行模拟分析，可以对实验等方法解决不 了判断的换热器内部流场复杂的瞬时温度、压降、流速等问题有更直观的认识。实际 应用中，c f d 软件与实验验证总是相辅相成，这样能够更好促进二者共同发展，也有 利于改造后的换热器的性能评估，因此，计算机的辅助模拟与强化传热技术的研究代 表了未来换热器发展的方向，预示着c f d 方法在换热器设计上的广阔前景。m 3 。 随着换热技术的发展，管内内插件的样式繁多，利用c f d 技术模拟择优也成为发 展的趋势，与实验相对应，我们可以方便的考察各种内插件技术的优劣。现有的部分 管程内插件数值模拟分析实例有： z i m p a r o v ，v 。”1 等人将换热管内加入自转式螺旋扭带，并对其速度质点分布做了 细致分析。p n a p h o n o 剐等也对管内内插物具有代表性的元件一螺旋扭带进行了流场 模拟，他将光管与带有扭带的换热管的压力降进行了着重分析，同时也比较了不同导 程的扭带对换热的影响，对其他管内旋转类内插件的换热能力的研究具有重要意义。 张杏祥h 7 1 等对螺旋扭曲扁管的强化传热能力进行了模拟研究，以实验作为参照，结果 基本吻合。 此外，还有许多学者对各种异型管进行了c f d 模拟。憎1 ，并搭建试验台与最后模拟 结果进行对比，在此就不一一赘述。 c f d 模拟技术在实际应用 由于在分析计算时，计算流体力是建立在三大方程的理论基础之上的，而实际模 拟中涉及到的各种复杂耦合现象，比如流体与设备的接触面耦合条件、以及速度、温 度等的耦合，使c f d 方法难免出现错误。因此，即使该方法使用的越来越普遍，但是 缺点还是客观存在的。这也要求我们在做模拟时，其结果必须要用实验来验证。 1 s 本论文主要内容与意义 国民经济的发展是以消耗能源为代价的。而我国的能源利用率低下、一次能源面 临枯竭的现状促使我们调整产业结构，提高能源的利用率，切实推进节能减排工作。 而换热器作为工业上广泛应用的过程设备，利用新技术提高其换热系数对整个节能减 第一章绪论 排工作具有不可估量的推动作用。长久以来，换热器因为管程污垢堵塞、换热效率低 等问题而引起的能量耗费惊人，除此之外，频繁停车清洗、污垢腐蚀管材等造成了大 量的不必要的成本浪费。因此，以管壳式换热器为例，人们相继开展了各种节能减排 的研究，其中壳程强化传热主要方式有在管外增加翅片、改变折流板形状等，以期通 过扩大换热面积或改变流体的运动状态、消除或减弱换热死区的空间而达到充分换热 的目的。而以上所介绍的现有的技术无非是通过增大管程换热面积、破换隔热边界层 两种途径来增大换热系数，但换热器堵塞问题迟迟得不到解决。而上文所述的内插件 强化传热方法也同样面临着该问题，因此，既能提高换热系数，又能解决污垢沉积的 换热元件才能适应节能减排的需要。而在现今工业应用领域具有代表性的且应用较为 广泛、具有在线强化传热与自动清洗功能的换热元件有两种即洁能芯转子与螺旋扭 带。洁能芯与螺旋扭带均属于通过管内插入物方式提高换热系数。众所周知，加入插 入物必然引起管程阻力的增加，因此本文的研究内容就是从换热系数、阻力系数等方 面入手，全面对比以上两种换热元件的性能优劣，以期得出一种最适合在工业生产中 应用的换热元件，为节能降耗做出努力。 1 6 研究对象简介 1 6 1 洁能芯转子 洁能芯转子m 3 单元强化传热是2 0 0 5 年由北京化工大学杨卫民教授提出的一项在 线强化传热与自清洁技术，它是由自转式转子、挂件、柔性轴、固定限位元件等组成。 除柔性绳为钢丝绳外，其余组件均由高分子材料精密注塑成型，具有耐高温、耐腐蚀、 耐磨等优良性能，满足实际工况要求。 图卜5 不同导程的翅片转子 f i g 1 - 5f i n - r o t o ro fd i f | r ：r e n tl e a d 9