（机械电子工程专业论文）换热管内转子旋向对自清洁与强化传热影响研究.pdf

学位论文数据集 、黼y 删, t 删8 删, 8 0 8 9 中图分类号 t h 2 6 4 1 学科分类号 4 7 0 3 0 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 11 0 6 4 3 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 赵本华学号 2 0 0 8 0 0 0 6 4 3 获学位专业名称机械电子工程获学位专业代码 0 8 0 2 0 2 课题来源国家科技支撑计划研究方向强化传热新技术 论文题目换热管内转子旋向对自清洁与强化传热影响研究 管壳式换热器，同向，自交叉，异交叉转子，自清洁性能，强化传热 关键词 性能 论文答辩日期2 0 1 1 年0 5 月2 8 日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 指导教师何雪涛副教授 北京化工大学机械工程 评阅人1 杨卫民教授 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机械工程 赵月云高级工程北京化工研究院机械工程 答辩委员会主席 师 答辩委员l 杨下民教授北京化工大学机械工程 答辩委员2 冯连勋教授 北京化工大学机械工程 答辩委员3 丁玉梅副教授北京化工大学机械工程 答辩委员4 张冰副教授北京化工大学机械工程 答辩委员5董力群副教授 北京化工大学机械工程 答辩委员6 马秀清副教授北京化工大学机械工程 答辩委员7 党开放讲师北京化工大学机械工程 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 厂r1 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。 1 。_ i _ 换热管内转子旋向对自清洁与强化传热影响研究 摘要 管壳式换热器广泛应用各个行业和领域，应用最广的为火力发 电厂中的凝汽器。但是管壳式换热器具有容易结垢以及本身结构问 题，导致长期运行时其换热效率不高，并且需要投放化学药剂或者 停机人工清洗等处理，造成能源浪费和环境污染。针对该问题本文 研究了具有自清洁和强化传热功能的转子装置。 安装在管壳式换热器换热管内的转子装置包括转子、支撑轴、 限位件和挂件四个部分，转子为该装置的核心部件。不同旋向叶片 的转子对流体的自清洁和强化传热影响不同。本文研究了同向转子、 自交叉转子和异交叉转子，详细工作内容如下。 论文采用三维绘图软件设计和绘制新型结构转子，包括同向转 子、自交叉转子和异交叉转子。通过污垢实验台进行长期的污垢实 验研究，得出同向转子和自交叉转子的防垢除垢性能，发现自交叉 转子具有优良的防垢除垢特性；通过传热试验台，研究了异交叉转 子与光管之间的强化传热效果，验证了在相同流量情况下异交叉转 子的换热效果优于光管；进一步研究对比了不同外径的同向转子和 自交叉转子与光管之间的强化传热性能，发现外径越大强化传热效 果越好，同时白交叉转子的换热效果优于同向转子；将实验研究与 工程应用相结合起来，通过在电厂的凝汽器工业实验，提高了凝汽 北京化工大学硕l 论文 器的换热效率，达到节能减排的目的。最后在研究对比已有的转子 应用效果以及工程需要基础上，进一步对新的转子结构进行了探讨。 关键词：管壳式换热器，同向，白交叉，异交叉转子，白清洁性能， 强化传热性能 h a b s t r a c t r e s e a r c h o nt h ee f f e c t so fr o t o rh a n d s o nt h ep e r f o r m a n c eo fs e l f c l e a n i n ga n d h e a tt ra n s f e re n h a n c e m e n ti n s h e l l a n d t u b ee x c h a n g e r a b s t r a c t t h es h e l l a n d - t u b ee x c h a n g e ri s w i d e l ya p p l i e di ne v e r yi n d u s t r y a n df i e l d ，e s p e c i a l l yi nt h ec o n d e n s e ro ft h ec o a l - f i r e dp o w e rp l a n t b u t b e c a u s eo ft h em u c hs c a l i n gi ns h o r tt i m ea n di t so w ns t r u c t u r e ，t h e e f f i c i e n c yo fs h e l l a n d t u b ee x c h a n g e ri sr e d u c e di nl o n gw o r k i n gt i m e t h et r a d i t i o n a lw a yo fs o l v i n gt h i sp r o b l e mi sa d d i n gt h ec h e m i c a l si n t o t h ew a t e ro rc l e a n i n gt h et u b eb yt h em a c h i n e ，w h i c hm a yw a s t et h e e n e r g ya n dp o l l u t et h ee n v i r o n m e n t i no r d e rt od e a lw i t ht h ep r o b l e m b e t t e r , t h en e wr o t o rd e v i c ei sd e s i g n e dt os e l f - c l e a nt h et u b ea n d e n h a n c eh e a tt r a n s f e r s t r a n d r o t o r s i n c l u d i n gr o t o r s ，s u p p o a i n gs h a f t ，l i m i ts t o pa n d s u p p o r t i n gf r a m e ，a r ef i x e di nt h et u b eo fs h e l l a n d t u b ee x c h a n g e rt o c l e a nt h et u b ea n de n h a n c et h eh e a tt r a n s f e r t h er o t o r sc o n t a i n i n gb a l d e s w i t hd i f f e r e n th a n d sh a v ed i f f e r e n te f f e c t st oc l e a nt h et u b ea u t o m a t i c a l l y a n de n h a n c eh e a t t r a n s f e r t h i st h e s i s a n a l y s e s t h e s a m e - r o t o r , 北京化丁人学硕 ：论文 i n c r o s s r o t o ra n de x c r o s s r o t o r d e t a i l e dc o n t e n t so fw o r ka r ea s f o l l o w s ： t h es a m e - r o t o r , i n c r o s s - - r o t o ra n de x - c r o s s r o t o ra r ed e s i g n e dw i t h t h et h r e e d i m e n s i o n a l d r a w i n g s o f t w a r e s e l f - c l e a n i n gf o u l i n g e x p e r i m e n t sw i t hs a m e r o t o ra n di n c r o s s - r o t o ra r ed o n e ，a n dt h er e s u l t s a r eo b t a i n e df r o m l o n g t i m e e x p e r i m e n t s a n di n d i c a t et h a tt h e p e r f o r m a n c eo fi n - c r o s s r o t o ri sb e t t e rt h a nt h es a m e r o t o r s b yt h eh e a t t r a n s f e re x p e r i m e n t s ，i ti sv a l i d a t e dt h a tt h ee f f e c to fh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n to fe x c r o s s r o t o ri sb e t t e rt h a ns m o o t h sa tt h es a m ew a t e r f l o w , a n di t i s s i g n i f i c a n tt o f i n dt h a tt h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t p e r f o r m a n c eo fi n c r o s s - r o t o ri ss u p e r i o rt os a m e r o t o r s ，a n d t h a ti f r o t o r sd i a m e t e ri sl a r g e r , t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tp e r f o r m a n c ei s s u p e r i o r i no r d e rt oc o m b i n et h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hw i t he n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n ，t h ee f f i c i e n c yo fh e a tt r a n s f e ri nt h ec o n d e n s e rf i x e dw i t h s a m e r o t o r si s i m p r o v e d ，t h e r e f o r e t h e g o a l o fs a v i n g e n e r g y a n d r e d u c i n ge m i s s i o ni sr e a c h e d a tl a s t ，t h er o t o rs t r u c t u r e sa r ed i s c u s s e d f u r t h e ro nt h eb a s i so fr o t o r a p p l i c a t i o n e f f e c ta n d e n g i n e e r i n g r e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：s h e l l a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r , s a m e - - r o t o r , i n - - c r o s s - r o t o r , e x c r o s s r o t o r , p e r f o r m a n c eo fs e l f - c l e a n i n g ，p e r f o r m a n c eo fe n h a n c i n g h e a tt r a n s f e r i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源、名称1 1 2 研究背景1 1 3 传热表面结垢机理1 1 4 强化传热的机理4 1 5 强化传热研究方法。5 1 5 1 实验研究6 1 5 2 计算机数值软件模拟7 1 6 管程强化传热技术7 1 6 1 强化管研究j 7 1 6 2 内插件研究8 1 7 强化传热评价方法发展现状9 1 8 本课题意义和研究内容1 0 第二章管程单元组合转子研发历程和结构创新1 1 2 1 单元组合式转子装置结构组成1 1 2 2 强化传热和自清洁机理分析l l 2 3 技术应用领域1 2 2 4 前期转子技术研发历程l2 2 5 新研发的三代技术1 7 2 5 1 第八代技术1 7 2 5 2 第九代技术1 7 2 5 3 第十代技术18 2 6 本章小结1 8 第三章转子自清洁与强化传热实验研究2 1 3 1 旋向自交叉式转子防垢除垢性能实验研究2 1 3 1 1 实验设备和条件2 1 v 北京化r 丁人学颂 ：学位论文 3 1 2 试验操作步骤2 2 3 1 3 实验结果及分析2 3 3 2 旋向异交叉转子强化传热2 8 3 2 1 试验装置2 8 3 2 2 实验方法和条件31 3 2 3 实验结果及分析3 1 3 3 旋向自交叉转子强化传热和阻力性能实验研究3 4 3 3 1 实验设备及装置3 4 3 3 2 实验方法及条件3 5 3 3 3 实验结果及其分析3 9 3 4 管程组合式转子工业应用及效果4 2 3 5 本章小结4 2 第四章转子结构的进一步探讨4 5 4 1 创新研究理论一4 5 4 1 1 强化传热和阻力特性4 5 4 1 2 防垢除垢性能4 6 4 2 新型转子结构方案4 6 4 2 1 径向交叉转子特性4 6 4 2 2 径向导流转子研究4 7 第五章总结与展望4 9 5 1 总结4 9 5 2 展望5 0 参考文献5 1 致谢5 5 研究成果及发表的学术论文5 7 作者和导师简介5 9 v i c o n t e n t c o n t e n t c h a p t e rii n t r o d u c i o n i i it h es o u r c e so f r e s e a r c ht o p i c 1 1 2r e s e a r c hb a c k g r o u d 1 1 3t h es c a l i n gm e c h a n i s mo f h e a tt r a n s f e rs u r f a c e 1 1 4t h em e c h a n i s mo f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t 4 1 5t h er e s e a r c hm e t h o d so f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t 5 1 ! ；1e x p e r i m e n t a ls t u d y 6 1 5 2t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yc o m p u t e rs o 行w a l e 7 1 6t h et 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 e m e n to f t u b e 7 1 6 1t h er e s e a r c ho f t h es t r e n g t h e n e dt u b e 7 1 6 2t h er e s e a r c ho f p l u g i n 8 1 7t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fe v a l u a t i o nm e t h o do fh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t 9 1 8t h es i g n i f i c a n c eo f t h i st o p i ca n dc o n t e n t so f t h i sr e s e a r c h 1 0 c h a p t e r 2t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t a n ds t r u c t u r e i n n o v a t i o no ft h es t r a n d r o t o r si nt h et u b e 11 2 1 i l l es t r u c t u r e so f s t r a n d r o t o r sd e v i c e 。1 1 2 2t h ea n a l y s i so f h 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 gm e c h a n i s m 。11 2 3t h ea p p l i c a t i o nd o m a i no f t h i st e c h n o l o g y 1 2 2 4t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f p r e r o t o rt e c h n o l o g y 1 2 2 5t h en e wt h r e eg e n e r a t i o n so f r o t o rt e c h n o l o g y 1 7 2 5 1t h e8 t hg e n e r a t i o no ft e c h n o l o g y 17 2 5 2t h e9 t hg e n e r a t i o no f t e c h n o l o g y 1 7 2 5 3t h el o t hg e n e r a t i o no f t e c h n o l o g y 。1 8 2 6t h ec o n c l u s i o n so f t h i sc h a p t e r 18 c h a p t e r3s e l f - c l e a n i n ga n dh e a tt r a n s f e re x p e r i m e n tr e s e a r c ho f r o t o r s 21 v i i 北京化工大学硕t ：学位论文 3 1t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fi n c r o s s - r o t o rp e r f o r m a n c eo fs e l f - c l e a n i n g 21 3 1 1t h ed e v i c e sa n dc o n d i t i o n so f e x p e r i m e n t 2 1 ：；1 2t h e o p e r a t i o n a ls t e p so ft h ee x p e r i m e n t 2 2 3 1 3t h er e s u l t sa n da n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t 2 3 3 2t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n dr e s i s t a n c ee x p e r i m e n t so ft h e e x c r o s s r o t o r 2 8 3 2 1t h ed e v i c e so f e x p e r i m e n t 2 8 3 2 2t h em e t h o d sa n dc o n d i t i o n so f e x p e r i m e n t 31 3 2 3t h er e s u l t sa n da n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t 31 3 3t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n dr e s i s t a n c e e x p e r i m e n t s o ft h e i n c r o s s r o t o r 3 4 3 3 1t h ed e v i c e so fe x p e r i m e n t 3 4 3 3 2t h em e t h o d sa n dc o n d i t i o n so f e x p e r i m e n t 3 5 3 3 3t h er e s u l t sa n da n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t 3 9 3 4t h ei n d u s t r ya p p l i c a t i o na n de f f e c to ft h es t r a n d r o t o r si n t h et u b e 4 2 3 5t h ec o n c l u s i o n so f t h i sc h a p t e r z i ：! c h a p t e r4t h es t r u c t u r ei n n o v a t i o n s 4 5 4 1t h et h e o r yo f i n n o v a t i o n a lr e s e a r c h 4 5 4 1 1t h ep e r f o r m a n c eo f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n dr e s i s t a n c e 4 5 4 1 2t h ep e r f o r m a n c eo fs e l f - c l e a n i n g 4 6 4 2t h en e ws t r u c t u r es c h e m e so f r o t o r s 4 6 4 2 1t h er a d i a l c r o s s r o t o r 4 6 4 2 2t h er a d i a l g u i d a n c e r o t o r 4 7 c h a p t e r5t h ec o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 4 9 5 1t h ec o n c l u s i o n s 4 9 5 2t h ep r o s p e c t s 5 0 r e f e r e n c e s 51 a c k n o w l e d g e m e n t 5 5 v i l i c o n t e n t 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 7 b r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o ra n dt h em e n t o r 5 9 北京化工人学硕 ：论文 x 符号说明 符号说明 换热管内传热面积，m 2 换热管外传热面积，m 2 换热管壁厚，m 常数 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 冷流体的定压比热，l 【j ( k g k ) 。 试验循环水的平均温度下的比热容，l ( j ( k g ) j 粒子直径，m 换热管的外径，m m 管程中的阻力系数 为附着力，n 粒子受到的阻力，n 流量修正系数 试验循环水流量，k g s j 总传热系数，w ( m 2 k ) 。 修正后的总传热系数，w ( m 2 k ) 1 长度，m 冷流体的质量流率，k g s j 力矩，n m n u s s e l tn u m b e r 努塞尔数 p r a n d t l 普朗特数 换热管进出口压力差，p a 体积流量，m 3 h 。1 或者l s 。1 单位时问传热量，w 单位时间内冷流体获得的热量，k j s 。= k w 换热器壳程的换热量，w 换热器管程的换热量，w x l 4 以6 c q q d 厂c 昂瓦 k 磁 ， m m 只肇 g q g 幺 q 北京化工大学硕卜论文 凝汽器试验热负荷，k w 换热管内半径，m 热阻值，( m 2 k ) w 1 r e y n o l d s 雷诺数 对数平均温差，k 或 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，k 或 凝汽器循环水的进口温度，k 或 凝汽器循环水的出口温度，k 或 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 流入流体的切向速度 试验时冷却管管内平均流速，m s 。 修正后冷却管管内平均流速，m s 。 管程的换热介质的流速，m s o 换热器管程流体的传热膜系数，w ( m 2 ) j 换热器壳程流体的传热膜系数，w ( m 2 ) 。 材料的热导率，w ( m ) d 密度，k g m 。3 凝汽器对数平均温差，k 或 初始温差，b7 = t ，7 - t l r ，k 或 终端温差，0 27 = t ，7 - t 27 ，k 或 换热管直径，m 动力黏度，k g ( m s ) 1 流体在温度为t 时的动力粘度，k g ( m s ) 。1 x i i 在换热管壁上产生污垢，管壁上容易结垢。二是传统的传热方式流体速度矢量和 温度梯度相垂直，降低换热器的换热能力。换热器的污垢 2 】是降低换热设备换热 效率的重要因素之一，它能使换热设备的总传热系数减小，提高换热管壁温度、 影响传热效果和降低生产效率。例如某石化企业的皂化废液换热器，因换热介质 含有较大浓度的固体颗粒，沉积的污垢经常堵塞换热管。换热器在炼油化工装置 中占总设备数量的4 0 左右，成本费用占总投资的3 5 左右。中国的能源利用 效率与国外具有明显的差距 3 】，其中高效率机组只占总共的2 4 ，而美国、俄 罗斯等国已经达到5 0 以上。 1 3 传热表面结垢机理 工业中所有资金高达3 5 的比例都要用于换热设备的投资。污垢一年能造 成3 4 1 亿损失【4 1 ，延卫【5 1 等介绍了换热器常用冷却介质水的化学和物理处理方法， 化学方法就是在水中添加化学除垢防垢剂【6 】；物理处理方法包括物理清洗、防腐 阻垢涂料、塑料换热器、静电水处理、电子水处理【7 】、膜处理、超声波处理和磁 化处理等。 研究换热管的自清洁和强化传热方法和措施，首先需要了解污垢的生成机理 北京化t 大学硕上论文 和预防措施。换热设备上污垢指当流体中含有一定量杂质与之相接触的换热表面 上逐渐沉积的多余的固态物质。这层“不需要”的多余物质通常的存在形态为混合 物【_ 7 1 。污垢分类方法很多：一是根据换热类型可以分为无相变污垢、相变污垢以 及有化学反应污垢；二是按照污垢形成的主要沉积机理，分为以下六类：一是析 晶污垢、二是化学反应污垢、三是微粒型污垢、四是腐蚀型污垢、五是凝固型污 垢以及六是生物型污垢。 表1 - 1 一些物质的热导率 t a b l e 1 1t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t i e so fs o m em a t e r i a l s 物质种类 热导率 w ( m k ) 】 铸铁 碳素钢 铜 黄铜 水 腐蚀垢 黏泥 软质垢 硬质垢 碳酸盐水垢 硫酸盐水垢 我国换热设备由于结垢等原因效率低下【8 】，而美国等发达国家而在对换热器 的尺寸和成本进行不断优化 9 】。我国李红【l0 】分析了换热面上的污垢防治的进展。 韩建新【1 1 】分析了2 0 0 m w 汽轮机凝汽器水垢在管壁上对换热效率的影响。水垢具 有较大的热阻，一般物质的热导率如表1 1 。 张穹等人【1 2 】对传统的污垢热阻设计方法、洁净系数设计法以及面积增加百 分比进行分析，结果表明洁净系数法较优。换热管内污垢厚度跟凝汽器换热效率 成线性关系【1 3 】；对于工业中换热管内换热介质一般处于旺盛湍流状态【1 4 】；根据 管内流体受迫流动换热理谢s 】，管内流体流动分层流边界层、过渡流层与紊流 层，并由于流体的粘性而使各层流动速度各不相同。由于在层流边界层上的流速 低，流体介质中c a c 0 3 等杂质最易沉积成污垢；虽然层流边界层厚度很小但仅 依靠导热方式进行换热，具有较大的热阻从而严重降低了传热效果，从而削弱了 凝汽器的换热效率。以凝汽器换热为例，凝汽器换热效率低，降低汽轮机排汽的 凝结速度，增大了排汽压力和温度，引起需要循环水带走蒸汽更多的富余热量， 循环水温度生长速度加大，这样会恶化真空以及增大端差，整个循环变成恶性， 使其凝汽器的真空变差。以上现象实质原因为污垢使管程换热效果变差，降低凝 一 一 一 一 毗 呱 懈 一 一 一 一 凹 舛勉 观 m n 吣 第一章绪论 汽器真空直接导致以上恶性循环【1 6 】。张国钊【1 7 1 对换热管污垢热阻进行研究，得 到总传热系数的计算公式( 1 1 ) 。 一1 ：上+ 鱼+ 土+ r ， ( 1 1 ) = + 一+ + 尺， ll 1 ) k f o c o a a i j 式l - 1 中：k i 为换热管的总传热系数，w ( m 2 k ) ；口。、呸分别为壁面两侧 流体的表面传热系数，w ( m 2 k ) ；b 为壁厚，m ；九为换热管材料的热导率， w ( m k ) ；r ，为污垢的阻值，( m z k ) w 。 为了求解热阻和传热系数，需要使用套管换热器设备。实验热平衡的条件为 当冷、热换热介质热平衡的相对误差在+ 1 0 以内，以保证实验精度。 s ：f 盟一11 1 0 0 ( 1 2 ) lq 在式( 1 - 2 ) 中，q ；为在冷水侧的测量热负荷；q 。为热水侧测量的热负荷。 估算污垢热阻可采用方法有以下4 种：根据系统的运行经验值进行粗略估 算、通过换热器长期运行的数据来估算、借鉴公开出版文献的污垢数据、使用一 些权威机构提供的数据。d b o u r i s 1 8 】设计了新型换热器以减少污垢；张琳等人【1 9 】 研究自动清沈纽带具有一定的防垢除垢效果。再有刘志儒等人【2 0 1 分析了纽带的 清洗力矩，并且发现工程应用中的纽带清洗能力与清洗动力扭矩成正比。其中清 洗力矩的公式如( 1 - 3 ) 。 墨辱 m = p qi d ( v r ) 一p ql d ( v o r ) ( 1 - 3 ) ；j 其式( 1 3 ) 中，m 为力矩，q 为体积流量，1 ，为截面流体的切向速度，p 为 流体密度，v o 为流入流体的切向速度，为纽带的半径。 蒋少青等人【2 1 1 研究了入口斜齿纽带的动力学理论。吴剑恒【2 2 1 将螺旋纽带装 置安装到凝汽器中，螺旋纽带使得水流漩涡流动不断冲刷换热管内壁，从而水在 径向上得到混合，基本消除边界层，实现汽轮机组的节能、降耗、增效的目的。 自转式转子装置在研究中，要保证转子转动时不摩擦换热管壁，具有良好的寿命 时，转子叶片外缘越大时强化传热和防垢除垢效果就越好。但是螺旋纽带仍有问 题有待解决，如整体式螺旋纽带对换热管壁的转动摩擦作用较大，换热管壁的摩 擦损失较多，严重的后果则是缩短了换热器的寿命，目前螺旋纽带只在小型凝汽 器当中有一定的尝试，在大型设备上，如换热管长度为十几米长时，还未得到试 验验证。 然而当计算机和软件的飞速发展后，很多研究工作者采用软件模拟元件的性 能工作特性。如王丹等人【2 3 】通过c f d 软件数值模拟研究流体流动和传热，结果 北京化丁大学硕卜论文 表明换热器结构固定时壳程流体流动和传热周期只随折流板间距与简体内径的 比值变大而增加。而北京化工大学李月等人【2 4 】采用c f d 流体分析软件研究了洁 能芯转子对流体的流体特性和传热特性影响，转子有效增强了热量的传递，具有 较为明显的强化传热效果。 1 4 强化传热的机理 我国过增元【2 5 】通过分析边界层流体流动的能量方程，证明强化对流传热的 方式就为减小温度梯度和速度矢量之间夹角，后将这个理论简称为“场协同”原 理。李志信等【2 6 】研究能量方程得出将对流换热的热源强度先由流体的物性和流 速决定，并且流体的流速与热流的矢量协同程度大小作用于热源强度；只增加流 速可以部分强化传热。前期的“场协同”原理不适合工程中的椭圆型流动；为了更 好解决工程实际问题，陶文铨等【2 7 】将前期的“场协同”原理延伸至椭圆型流动中， 田丽婷等【2 8 】将“场协同”原理应用纵向涡发生器中，模拟结果显示有效提高通道的 传热。综述单相对流强化传热的强化传热机理共3 条：首先是减薄热边界层的厚 度；其次增加壁面上的速度梯度；再是增加流体中的扰动。陶文铨等【2 9 】解释上 述观点：实质上减薄换热热边界层、增加壁面附近速度梯度以及增加流体中的扰 动强烈程度都等效于减小流体速度和温度梯度之间的协同角。刘威 3 0 】等研究了 物理量场协同在流场和强化传热中的应用。孟继安等人【3 l 】将“场协同”理论扩展至 湍流换热，并开发了交叉缩放管【3 2 1 。赵珍强等【3 3 】讨论了“场协同理论在换热器 强化传热的应用。上述理论有力推进了“洁能芯”转子装置技术应用于湍流换热工 况当中。 在“场协同”原理的不断研究的同时，在该领域也出现了一些基于“场协同”原 理的衍生理论。郭江峰等【3 4 】讨论了“场协同数”在换热器优化中的应用。k v a f a i 与a r a k h a l e d ”】通过研究开发出了能够产生多纵向涡流动的不连续双斜向内 肋管。自从1 9 9 8 年提出“场协同”理论，之后很多研究者利用数值模拟方法对其验 证并开发出试验验证方法。j m w u 等【3 6 l 将“场协同”原理应用到翅片管中，并对 其翅片的角度进行了优化。陈超匡等【3 7 】用“场协同”原理证明了减小速度和温度场 之间角度有助于增加流体的交叉混合。 由于目前许多科研工作者已经对“场协同”原理及其衍生理论进行了较为充 分的研究、拓展和验证，文中研究管程组合转子强化传热装置同样是利用上述3 条“场协同”理论的单相对流强化传热的理论，对该装置进行实验研究，并取得了 一系列的研究成果。 强化传热技术通常分为主动强化和被动强化两种。主动强化传热技术为利用 设备以外的能源去改变换热器的传热效率；被动强化传热则指无功强化传热技 4 第一章绪论 术，如管内插入物强化传热技术为典型代表，工程实际中常采用被动强化传热技 术来提高传热系数【3 8 1 。在不改变传热面形状下，插入物的加工制造简单，特别 适用于现有设备改造。 在表1 2 中给出主动强化传热和被动强化传热的方法，以及采取两种或多种 强化传热方法来形成的“复合强化传热”。当然每一种强化传热技术都有各自的优 点与不足。按照c a r g l e s 所述，这些方法的效率主要是取决于传热模式，其中包 括单相自然对流直至分散流膜沸胤3 9 1 。 表l - 2 多种强化传热技术 t a b l e 1 - 2t h et e c h n o l o g i e so f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t 表l - 3 主要的强化传热技术的应刚范围和比例 t a b l e 1 - 3t h ea p p l i c a t i o nr a n g ea n dp r o p o r t i o n so ft h em a i nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t t e c h n o l o g i e s 表中：一，无应用；“& ”，未考虑。 尽管目前已经研制和实验过许多强化传热技术，但是只有少部分应用于换热 器中。如主动强化传热技术方法有流体震动、电场等，造价较高并且复杂，所以 经济性较差而很少使用；而被动强化换热管相对方便制造，对很多传热领域可以 应用，具有较大的经济效益，并可以方便应用到改造现有设备中。常用的强化传 热技术应用范围及其比例见表1 3 。 1 5 强化传热研究方法 对于管程强化传热技术的研究方法