（化工过程机械专业论文）立式自然循环蒸发器强化传热与自清洁实验研究.pdf

摘要 立式自然循环蒸发器强化传热与自清洁实验研究 摘要 能源是经济发展的重要保证，而能源的稀缺是当今世界面临的一个重 大难题，提高能源利用率在当前情况下意义重大。而在当前我国的化工行 业中，单位g d p 高能耗的现象一直得不到有效改善，能源的利用率一直 不高，所以降低工业生产环节中的能源消耗，提高其有效利用率对于我国 化工行业尤为重要。 蒸发器是工业中应用广泛的换热器的一种，因其换热过程中伴随有相 变而得名。而传统换热器具有换热效率低下、易结垢等问题，所以提高其 换热效率是提高工业生产效率、降低工业生产高能耗现象的关键问题之 一。 本文首先针对于一种应用于管壳式换热器的新型强化传热与自清洁 装置进行了阐述，并从理论上探究其强传传热与自清洁本质，在此基础上 开展了一系列实验研究，首先运用可视化实验考察了该强化传热与自清洁 装置阻碍污垢生成的效果，通过对比发现其自清洁效果显著。其次通过强 化传热与阻力特性实验研究，针对于几种不同几何尺寸的该强化传热与白 清洁装置分析了强化传热与阻力特性，并通过与光管以及不同几何尺寸之 间的实验结果对比考察其特性，结果显示该装置强化传热显著。通过实验 结果对比找出了在实验工况下几种尺寸中相对最优的尺寸，并依托理论基 础分析了其强化传热效果随着尺寸变化的趋势。之后以工业中应用的蒸发 器工况为实验条件，设计了一套可用于实验研究的立式自然循环蒸发器强 i 北京化工大学硕士学位论文 化传热与阻力特性实验研究平台。为了探究该强化传热与自清洁装置对流 场扰动的情况，运用c f d 软件对其在水平圆管中运行情况进行了数值模 拟，计算了其速度分布情况，同时以一组实验值为基础，修改了边界条件， 模拟了其在蒸发器中扰动流体的一个具有代表性的特例。 关键字：强化传热，自清洁，蒸发器，阻力特性，数值模拟 a b 盯r a c l - e x p e r i m e n t a ls t u d yo n h e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n ta n ds e l f c l e a no fv e r t i c a l n a l u r a lc y c l ee v a p o r a t o r a b s t r a c t e n e r g yi s t h eg u a r a n t e eo fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，b u te n e r g yi s n o n r e n e w a b l e c h e m i c a l i n d u s t r y i nc h i n aa l w a y sl a b e l sh i g h e n e r g y c o n s u m p t i o nb e c a u s eo fe v e r yu n i tg d pa c c o m p a n yw i t hv e r yh i g he n e r g y i n p u t s oi n c r e a s i n ge n e r g ye f f i c i e n c yi ss i g n a l i t yt oc h e m i c a li n d u s t r yo f c h i n a e v a p o r a t o ri so n ek i n do fh e a te x c h a n g e r sw i l d l yu s e di ni n d u s t r y i tg e t s i t sn a m eb e c a u s ep h a s et r a n s i t i o no c c u r si nt h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s s t r a d i t i o n a lh e a t e x c h a n g e rh a s ap r o b l e mw i t hd i r ta n di t sh e a tt r a n s f e r e f f i c i e n c yi sa l w a y sl o w s oi n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c yo fh e a te x c h a n g e ri st h e k e yo fi n c r e a s i n ge n e r g ye f f i c i e n c y t h ep a p e rd e s c r i b e san e wt y p eo fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n d s e l f - c l e a nd e v i c ea n da n a l y s e si t se f f e c to nt h e o r ya s p e c ta n dt a k e sas e r i e so f e x p e r i m e n t sb a s e do nt h et h e o r y av i s i b l ee x p e r i m e n th a sb e e nc a r r i e do u tt o i n v e s t i g a t ei t s s e lf - c l e a ne f f e c t ；t h er e s u l ts h o w st h a ti tp e r f o r m se x c e l l e n ti n s e l fc l e a n i n g t h e nas e r i e so fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n df r i c t i o nl o s s e x p e r i m e n t so nd i f f e r e n tg e o m e t r yd i m e n s i o nh a v eb e e nc a r r i e do u tt oa n a l y s e i i i 北京化工大学硕士学位论文 i t sp e r f o r m a n c ei nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e v i c e p e r f o r m sw e l li nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t t h et r e n do f i t sp e r f o r m a n c ew i t h t h ec h a n g ei ng e o m e t r yd i m e n s i o nw a sf o u n db yc o m p a r i n gt h er e s u l t so f d i f f e r e n tg e o m e t r yd i m e n s i o n t h e nav e r t i c a ln a t u r a l c y c l ee v a p o r a t o r e x p e r i m e n t a ls y s t e m f o ra n a l y s i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h eh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n ta n ds e l f - c l e a nd e v i c ei ne v a p o r a t o rw a sd e s i g n e db a s e do na v e r t i c a ln a t u r a lc y c l ee v a p o r a t o ru s e di ni n d u s t r y i no r d e rt oa n a l y s i st h e d i s t u r be f f e c to ft h ed e v i c e ，as i m u l a t i o no ft h ed e v i c ew o r k i n gi nt u b eh a s b e e nu n d e r t a k e nb yu s i n gc f ds o f t w a r e k e y w o r d s ：h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，s e l f - c l e a n ，e v a p o r a t o r , f r i c t i o nl o s s ， s i m u l a t i o n i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：垒 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：盘签一日期：丕垒：! ：兰2 导师签名： 曼查雀： 一 日期： 婴! ! ：兰z 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 能源是经济发展的重要保证，但一直作为主流能源的化石能源在造成对人类生存 环境极大污染的同时面临着日渐枯竭的问题，根据英国石油( b p ) 在2 0 0 7 年发布的 世界能源统计评估，如果按目前的消费速度，全球已探明的储量只够使用4 0 年。 能源的利用使得各国的经济得到高速的发展，同时也给人类的生存环境造成巨大危 害，化石燃料的使用是产生造成全球变暖的罪魁祸首温室气体的主要来源之一，已 经在世界范围内引起了各国政府的高度重视并且达成了共识，全人类的共同目标是稳 定温室气体在大气中的浓度以及防止全球气候继续恶化【l 】，为此，节能减排对于国民 经济的发展以及人类自身的生存都具有现实而且重大的意义。而电力、冶金、石油化 工等高能耗产业是节能减排的潜力所在，在这些高能耗行业中使用高效换热技术与设 备以提高能源利用率是行之有效的节能减排办法。为此，很有必要开展相关方面的科 学研究。 管壳式换热器作为一种过程设备在电力、冶金、石油化工行业中应用极其普遍， 例如动力工业中锅炉设备的过热器、空气预热器；电厂热力系统中的凝汽器、除氧器、 给水加热器、冷水塔；船用柴油机中的滑油冷却器、淡水冷却器和增压空气冷却器； 制冷工业中蒸汽压缩式制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器、冷凝器；制糖工业和造纸 工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器等。对于如此广泛应用的设备，通过一定的强化换热 技术改善其传热性能、提高其热传递速率对于节能减排意义重大。 1 2 强化换热理论 传热强化即为一种改善传热性能的技术，可以改善和提高热传递的速率。对于单 项强制对流换热，1 9 9 8 年，过增元教授对边界层的流动进行了能量方程的分析，通过 将该能量方程在热边界层内积分，得出了减小速度矢量和温度梯度之间的夹角可以有 效地强化对流传热，并命名这一思想为“场协同 原理【2 l 。其后，过增元院士又从能 量方程出发重新审视对流换热的物理机制，把对流换热比拟为有内热源的导热，热源 强度不仅取决于流体的流速和流体的物性，而且取决于流速与热流矢量的协同。指出 流动的存在可以强化传热，也可以并无实质贡献，甚至削弱换热效果 3 1 。即可表述为， 在相同的速度和温度边界条件下，流体速度场与流体热流场的协同程度愈好，则换热 强度就越高。其后陶文铨等结合流体流过台阶的换热，将“场协同”原理由抛物型流 动推广至椭圆型流动并进行了数值验证，进而对速度场与温度场完全协同的理想情况 北京化工大学硕士学位论文 肚一 1 ) 1 3 管程强化传热技术 根据式( 1 1 ) 可知，在不改变传热面积的情况下，强化传热即减小传热热阻。传 热管两侧的对流换热热阻的一个重要原因就是靠近管壁处的层流层，与此同时a r a k h a l c d 和k v a f a i 通过研究指出呈指数分布的热散布元较均匀分布的热散布元具有更 佳的强化传热效果，而处于流体中心区的热散布元对强化传热没有贡献 9 1 。根据“场 2 第一章绪论 协同”原理，可以将换热器强化传热的物理机制基本概括为： ( 1 ) 减薄或破坏边界层 ( 2 ) 流动旋转或形成二次流即置换中心区与管壁区的流体 ( 3 ) 增加湍动 ( 4 ) 清洗污垢或防止污垢的沉积 3 1 强化蕾 强化管究其本质，大致都是通过改变换热管的表面结构以增大传热面积、对流体 靠近管壁的边界层流底层进行扰动或通过改变截面形状以增大管内流体的湍动程度 来达到强化传热的效果。 黼戮阑 唠骖雩韵 m ) 内肋管 ( c ) ，管 图卜1 几种常见的强化管 ( a ) 波纹管，( b ) 内肋管，( c ) 外肋管 f i g1 - js e v e r a lt y p i c a le n h a n c e dm h e s ( a ) b e l l o w , ( b ) f i n n e d t u b e w i t h i n t e r n a ls u r f a c e ，( c ) f i n n e d t u b e w i t ho u t e rs u r f a c e 肖金诧等通过有限元数值汁算考察了波纹管内的流动与传热性能研究了不同的 流体入口雷诺数及结构参数对管内平均传热系数的影响，探讨了其强化换热机理。研 究发现，在常见的湍流范围内波纹管内平均传热系数是相同条件下直管的1 o 卜3 0 倍，最佳强化效果出现在雷诺数为1 6 0 0 0 附近波峰处回流区的存在对波纹管的传热 强化起到了决定性的作用删。李清方等利用实验和数值模拟方法考察了含水原油在内 肋套管内的流动与传热性能。研究发现，当雷诺数小于3 0 0 时肋片越高换热系数越 北京化i 太学碰士学位论文 大；当雷诺数大于3 0 0 时传热系数是随肋高的增加而减小的；而管内的摩擦系数随 肋片高度增加而增大。同时还发现，进行实验的内肋管的努塞尔数是光管的19 9 - - - 24 2 倍。摩擦系数是光管的23 4 - - 25 2 倍1 。信石玉等利用数值模拟的方法结合计 算流动与传热软件研究了翅片管式抉热器开缝型翅片的开缝微肋结构对翅片整体的 流动与传热特性的影响。并结合场协同理论分析了计算结果，得出了翅片开缝微肋在 既定工况下存在摄佳倾斜角度等结论，结果显示，翅片开缝由于改善了原平翅片表面 的边界层厚度和流场与温度场的协同性，可有效强化传热。并且双排弧形百叶窗型丌 缝翅片在来流空气速度10 m ，j 和15 小j 的工况下微肋倾角为2 0 左右场拂同性 最好；在来流空气速度25 m ，j 的工况下，微肋倾角为1 5 。左右场协同性最好”。孟 继安等基于最小传热势容耗散原理，通过有条件变分方法推导出稳_ 忐层流对流传热的 场协同方程。通过求解该场协同方程，可获得具有最佳传热性能和最低流动阻力的最 优速度场，也就是管程多纵向涡流动。基于这一结论，开发出了可产生多纵向涡流动 的不连续双斜向内肋管( d d i r ) “”，如图1 2 所示。李晓伟等在此基础上先后对不 图卜2 不连续双斜向内肋管c d d i r ) f i 9 1 - 2 d i s c r e t ed o u b l e i n c l i n e d f i b s m b e 连续双斜向内肋管( d d i r ) 的管内和管外的流动和强化特性进行了实验研究，利用 染色线流动显示方法显示并分析了不同雷诺数下不连续取斜向内肋管管内流场，流 动显示实验结果表明不连续双斜向内肋管管内存在较强的贴近壁面的纵向涡纵向涡 沿流向可持续约倍管径距离并且纵向涡的强度随雷诺数的增加而增强，实验和数 值研究了不连续取斜内肋管管外的换热性能，在不连续双刺内肋管管外倾斜凹坑的作 用下，不连续取斜内肋管和光滑圆管组成的套管内出现了纵向涡流动雷诺数为 3 0 0 0 0 - 9 0 ，0 0 0 时比光滑套管换热增强5 0 ，阻力增加6 0 一7 0 。 国内外的许多此类研究都表明强化管在强化传热性能方而有着 色表现，但是面 对污垢强化管的表现难以令人满意。r a l p hlw e b b 和w e il i 利用8 0 0 p p m 的含钙 硬水对七种不同尺寸的强化管进行了超过2 5 0 0 小时的实验，发现强化管只能延长污 垢沉积的时间而并不能阻止污垢生成“”。所以当污垢产生后，由于强化管截面的特殊 性，造成其难以用传统的办法清洗。并且由于强化管的结构复杂精细，导致其加工难 第一章绪论 度大、周期长、成本高。限制了其在工业上的大规模推广应用。 3 2 内插件 管路内插件一直是国内外强化传热的研究熟点，其原理为在传热管中插入附加的 或静态或动态的扰动元件以达到扰动流体、破坏边界层、防止污垢沉积的目的。hg i l l 和d e v i n 对换热管入口处安装螺旋涡流发生器的传热强化进行了探讨，在雷诺数 5 ，0 0 0 - 3 0 ，0 0 0 范围内，考察了螺旋角度( 3 俨、4 5 。、6 0 。) 对传热性能的影响。在维 持泵功率恒定的情况下。该涡流发生器可提高传热速率达2 0 “”。只s i v a s h a n m u g a m 等对螺旋式液轮机( 如图1 3 ) 的传热强化和阻力特性进行了广泛的研究。图中( a ) 与 ( c ) 为单一旋向式螺旋式液轮机；( b ) 为正反旋向式螺旋式液轮机。实验结果表明， 置乒j 声芦， = l1 ! l _ 1 ：! l1 ，j r r ， 、- ： 1 。一，7 。1i 一1 一，。一1 ，p 。 一声瞧烹噍? 呼一 芦， _ _ - _ - _ ， ， ， _ - _ - j _ k 日_ = = = ，0 产一 d k b r - - - h d ic l e n - h i ”h h h _ i j w i l b ， - b - 一 h t 【le l lh i 【( c h “i ”mr j l t d i j m ：* i l b a 帑- h f t n t 】mh f _ i “i “q 、t 。”f j “5 0 in k 胃呵，一畸- - 汹 - _ - q - b q - - - q ，j - 1 ， ，一 - l ，- _ _ ，j - _ 一 hj c i ：h _ h 。 - j it 】 p , a & vw a w _ - - - - - - - 一 _ - - - _ - - - - 4 i ，d 自、_ - - - u 4 一 图卜3 螺旋式渡轮机 ( a ) 连续螺旋式渡轮机，( b ) 正反旋向式螺旋式液轮机，( c ) 分段螺旋式液轮机 f | g 1 - $ s c r e w - t a p e i n s e r t s ( 曲h e l i c a ls c r e w - t a p e i n s e m 伯) n g l i i - l e t l h e 3 i c a ls a l t e w i n s e r t s 。( 讨r e g u l a r l ys p a c e d h e l i c a l t a p e i n s e r t * 5 北京化i 大学硕学位论文 无论是层流还是湍流状态，传热系数和阻力系数均随扭曲比增大而增大。扭曲比递增 与扭曲比递减液轮机对传热强化和阻力压降的贡献投有明显差别。分段螺旋式液轮机 随分段间距的不同，较连续螺旋式渡轮机的努塞尔数约有1 0 不等的下降，但其阻力 系数仅为连续螺旋式液轮机的一半。正反旋向式螺旋式液轮机较之单一旋向式螺旋式 液轮机在传热系数方面的表现更优，而阻力损失也有一定的增大“蛐) 。 s m i t h e i a m s a - a r d 等对一种螺旋桨式涡流发生器( 如图i 一4 ) 在端流圆管中的工作 特性进行了研究，结果显示，螺距比为5 、叶片角度为6 0 0 、叶片数为8 的涡流发生 器的传热速率较光管提高了20 7 21 8 倍，最大强化效率可达1 2 ；阻力系数为光管 的3 一1 8 倍n 由于涡流发生器的分布式排列特点，在其排布自距内形成衰减性涡流， 从而可以根据涡流的衰减程度适当安排涡流发生器的排列位置，以期达到虽优的强化 效果但由于涡流发生器没有覆盖整个换热管长度，从而也只能通过扰动流体而延长 污垢诱发期，无法从根本上阻止污垢的产生与沉积“。 轴向均布热电偶 电i 口热器 图1 _ 4 螺旋桨式涡流发生器 f i g 1 1 3p r o p e l l e r t y p es w i dg e n e r a t o r s 扭带作为一种传统的常见管路内插件，国内外也开展了大量的研究工作。张琳等 应用激光测速仪l d v ( l a s e r d o p p l e r v e l o c i m e t e r ) 对自转螺旋扭带管的湍流特性进行 了实验研究。结果表明，与普通光管内流体的流动相比，自转螺旋扭带管内流体的湍 流特性发生了根本性的变化：流体在自转螺旋扭带的带动下，呈螺旋流动，而且在近 管壁环形区域内流体的轴向分速度明显比管中心区域的高，提高幅度为2 5 左右，轴 向湍流度比无自转扭带的大提高幅度为6 8 左右；切向分速度随半径的增大而增大， 第一章绪论 而且切向湍流度很大，比轴向湍流度大l o 倍左右。m aa k h a v a n - b e h a b a d i 等在水 平管中对不同扭率的的扭带进行了实验研究以考察其传热与阻力特性，管内的工作介 质为r 一1 3 4 a 并且质量流量定为5 4g g s m 2 、8 6 k g ，s m 2 、1 1 4 9 9 ，s 、 1 3 6 妇s 卅2 几个不同的值；扭带的扭率定为6 、9 、1 2 、15 几个不同的值( 扭率无穷 大即平展) 。结果显示，扭率为6 的扭带表现出的强化传热性能最好，能将传热系数 提高3 5 0 ，5 7 。在强化传热的同时，扭带还造成了阻力损失，其表现为压力降的增大， 在质量流量为5 4 j 咯s 詹时，扭带造成的阻力损失可以高达1 8 0 。这显示了扭带 在有效提高传热系数的同时，不可避免带来了高阻力损失。 基于此，国内外也有很多对于扭带结构的改进的理论探讨与实验研究。s m i t h e i a r a s a a r d 等在湍流圆管中对两种不同扭率的的扭带进行了传热与阻力特性实验研 究，并在实验中放入托变为管长2 4 、4 3 、5 7 、1 0 0 的扭带进行了对比。发现前 几种长度的扭带在努塞尔数的提高和阻力损失的提高上分别比1 0 0 长度的扭带低 1 4 、95 和67 ；2 1 、1 53 以及1 05 ”1 。以此来期望通过小描度的传热增 益损失来达到大幅度的阻力增益损失。m a s o u d r a h i m i a 等同时采用实验和模拟( c f d ) 的方式，对几种不同的改进型的螺旋扭带：其中包括普通扭带、开孔扭带、开槽扭带 以及锯齿扭带( 如图l 一5 ) 做了性能对比。结果表明，锯齿扭带的传热效果最好。在 实验采用的r e 数范围内，数和综合传热性能分别提高3 1 和2 2 。借助c f d 方 普通扭带 开孔扭带 开槽扭带 锯齿扭带 图卜5 改型扭带 f i g1 - 5m o d i f i e dt w i s t e dt a p e s 7 | 匕京化i 大学碰学位论文 法对扭带管程扰流的流场进行了模拟分析，发现锯齿扭带在靠近壁面处造成更高的湍 流强度，并指出螺旋扭带改进的方向就是要尽可能大幅度地提升近壁面区的湍流强度 噼。s h y yw o e ic h a n g 等对扭率分别为1 、1 5 、2 、25 和无穷太( 即平展) 的断裂型 扭带( 如图l 一6 ) 进行了对比实验研究。实验在r e 数1 0 0 0 4 0 ，0 0 0 范围内分析了其强 化传热与阻力损失特性。测量了轴向的传热系数分布和阻力系数分布。结果显示局 部努塞尔数和阻力系数均随扭率的减小而增大。上述几种断裂型扭带与普通扭带相 比，传热系数、平均范宁阻力系数和热性能因子分别为普通扭带管的12 8 142 - 47 和0 9 9 - l8 倍。其中传热系数为光管的6 3 - 95 倍1 。 a 嗣豳战蝴j j i 囊j = l i ：l j ：i3 ：ij = i ：= - 妇- 翻s 蝻3 ：翻。粜 巍内疵a 奠a j = 喀。相翱瑚蕾嘿翮 幽幽：幽。一崩一一问+ 州篁鼎。桨 商簟曲闷睁毛掺疆。潦两，勇“lj “- 誉嚼1 ：器 凰圈舅| 曩羹圈鞠鳓嘲霸嘲髓蝴i 圈i - 6 断裂型扭带 ( a ) 批率为1 ，( b ) 扭率为15 ( c ) _ f 【率为2 ( d ) 扭率为25 ( e ) 扭率为无穷人 f i g 1 b m k e 【w i s 【e d m o f “, a s t m t l o s f a ) v = 1 f b l v = l5 似v = 2f d ) v = 厶25a n dr e ) v = 在广大科研工作者丌展结构改进的实验研究的同时，不同内插件的乃至不同强化 传热方法的综合运用研究也如火如荼的进行着。pp r o m v o n g e 等在雷诺数范围为 60 0 0 2 6 ，0 0 0 的流动状态下对管内同时插入锥环形扰流元件与扭带两种内插件( 如图 1 7 ) 的情况做了实验研究，并测量分析了其传热强化数据。实验引入了扭率分别为 37 5 和75 曲种不同扭率的扭带。结果显示，此办法的强化传热效果比单纯插入锥环 形扰流元件提高4 1 0 ，使用扭率为75 的扭带配合锥环形扰流元件的强化传热效 果是光管情况的3 5 0 左右，而使用扭率为37 5 的扭带配合锥环形扰流元件的强化传 热效果最好，晟高时能达到光管情况的3 6 7 。结果同时表明，在雷诺数大于1 6 ，0 0 0 时，强化传热的增益效果随着雷诺数的增大而减小8 。另外还有多种强化传热技术结 纂一章绪论 合的实验研究，例如在槽管中插入扭带等等1 。本文不再一一赘述。 圈1 1 扭带配合锥环形扰流元仆 f i 9 1 4 c o n i c a l - r i n g m r b u l a t o ra n d t w i s t e d t a p e i n s e r t 1 4 本课题意义与研究内容 - i n f l o w d 一 经济的发展往往伴随着能源的大量损耗，能源的同渐枯竭意味着节能，即保证经 济发展而不停滞甚至倒退的同时减少对能源的消耗是世界范围内的一个重大课题。我 国是一个资源短缺的国家以石油为例，据国家能源局近期公布的数掘。2 0 0 9 年，中 国生产原油18 9 亿吨，净进口原油却高达l9 9 亿吨，原油进口依存度首次超过警戒 线5 0 ，达到5 12 9 。与此同时，在资源如此短缺的情况下，藐国的经济发展却伴 随着高能耗。节能对我国的经济可持续发展来说是当务之急。鉴于此，2 0 0 5 年的中央 经济工作会议也强调要降低单位g d p 的能耗，争取到2 0 1 0 年单位g d p 的能耗较之 2 0 0 5 年末降低2 0 的目标。为此节能减排的意义深远重大。 换热器作为工业上应用广泛的过程设备效率的提升对于整个产业的节能的作用 不可估量。为此国内外也j r 展了大量的研究，以管壳式换热器为例，主要有壳程强 化传热与管程强化传热，其中壳程强化传热主要有在管外增加翅片与改变壳程挡板或 管束支承结构，通过改变壳程流体流动形态，减少或消除壳程流动与传热的滞留死区， 使换热面积得到充分利用。而管程强化传热技术主要有强化管和内插件等，各种强化 管包括槽管、翅片管、肋管等。其原理是通过改变换热管的表面结构以增大传热面积、 对流体靠近管壁的边界层流底层进行扰动或通过改变截面形状以增大管内流体的湍 动程度咪达到强化传热的效果。而内插件强化传热即在管路中插入某种能够起到强化 传热效果的元件可以不改变传热面的形状，简单有效，也有利于传热面积的扩大， 易于对旧设备进彳j = 改造。应用广泛。其本质为捅入物使得流体产生径向流动，从而加 强流体的混台，获得较高的对流传热系数。包括静态扰流装置、螺旋线、扭带等。其 中扭带内插件的原理和相关研究与本文所研究的“沽能芯”单元组合式强化传热技术 联系较为紧密，放上文介绍较为详细。 在纷纭的强化传热技术中，强化传热效果的提升总是伴随着阻力损失的增加，技 北京化工大学硕士学位论文 术的好坏就成了得到强化传热效果的增益与造成的阻力损失之间的博弈，本文的研究 内容就是针对管壳式换热器的效率低下、易结垢问题，试图找出一种行之有效、适合 在工业上大面积推广的强化传热技术。对“洁能芯 单元组合式强化传热技术，在前 人研究的基础上，借助实验的手段，对其进行强化传热及机理、工业应用条件开展研 究。 ( 1 ) 针对“洁能芯 单元组合强化传热装置进行了污垢沉积对比实验以考证“洁 能芯 单元组合强化传热装置阻止及破坏污垢沉积的作用。 ( 2 ) 针对“洁能芯 单元组合强化传热装置进行了扰流传热及阻力特性实验研 究，在强化传热及阻力实验台上进行光管验证性实验和管程不同几何尺寸的“洁能芯 转子的传热及阻力特性实验；以2 2 号润滑油为工作流体介质，考察强化管在宽雷诺 数范围和宽普朗特数范围的传热与阻力特性，并与光滑圆管进行对比；改变冷热流体 温差进行多组实验，讨论转子各结构参数及传热温差对其传热及阻力性能的影响；基 于工程中常用的p e c ( 性能评价准则) ，对各种转子的综合传热强化性能进行评价。 ( 3 ) 设计一套基于蒸发器的针对于“洁能芯 单元组合强化传热装置的实验装 置用于后续的“洁能芯”单元组合强化传热技术扰流传热及阻力特性实验研究，考察 “洁能芯”单元组合强化传热技术的工业应用条件，以期对恶劣工况下“洁能芯 单 元组合强化传热技术的改进与完善提供实验和数据支持。 ( 4 ) 运用c f d 软件对“洁能芯”单元组合强化传热装置在水平圆管中的扰流情 况进行了数值模拟，计算得出了其在水平圆管中扰流后流体的速度场分布，证明了其 扰动流体的效果。 1 0 第= i 。沽能芯4 单元组台式强化恃热拄术 第二章“洁能芯”单元组合式强化传热技术 2 1 “洁能芯”单元组台式强化换热装置简介 “洁能芯”单元组合式强化传热装霉是出杨卫民教授在2 0 0 5 年提出的。“，由转 子、挂件、软轴、限位件组成，除软轴外其余部件材料均为工程塑料，加工方式均 为精密注塑成型。由于部件材料和部件单个尺寸小，相比于螺旋纽带等同类内插件， 具有加工制造简单、便于运输安装等特点。其中转子和挂件为“洁能芯”单元组合式 强化传热装置的核心部件，结构如图2 - 1 所示，挂件和转子中 峙 图 1 “沾能芯”单元野i 合式强化换热装置 ( a ) 转于( b ) 持制 f i g 2 - 1r o t o r - a s s e m b l e x ls t r a n d ( 曲i n s e r t ，( f i x e d m o u i l t 心有通孔，转子首尾的结构可相互配合，图2 i ( a ) 中左边刚呈现的一面为迎水面， 坡台结构可以有效地减小一定摩擦阻力。其作用方法为：将根软轴穿过两个挂件 井将两个持件固定在换热管两端，通过中央通孔使软轴对中若干转千首尾相接地穿 裟于较轴上，一定数量的转子使用限位件限位以避免轴向力的累积导数摩擦力矩过 大。其安装后效果如图2 - 2 所示，管中的转于就在流体的驱动下绕着软轴旋转。 北京化工大学硕士学位论文 t 热水出口 按热管陵位元件 图2 2 搿洁能芯”单元组合式强化换热装置安装效果示意图 f i g 2 - 2i n s t a l l a t i o na n de n t i t yf e a t u r e so ft u b es i d ea s s e m b l e dr o t o r s 为了减小安装“洁能芯 单元组合式强化传热装置带来的管路横截面积减小导致 的流量减小等问题，在原来的基础上，对“洁能芯”单元组合式强化传热装置进行了 一定的改进，改进结果如图2 3 所示，引入了垫圈，加在轴端以及转子与限位件之间， 作用是减小由于相对转动造成的摩擦导致的转子磨损。转子减小 图2 - 3 “沽能芯”单元组合式强化换热装置 ( a ) 转子，( b ) 挂件，( c ) 垫圈 f i g 2 3r o t o r - a s s e m b l e ds t r a n d ( a ) i n s e r t ，( b ) f i x e dm o u n t ，( c ) w a s h e r 了横截面积，作用是增大管路的流通面积。挂件采用镂空结构，作用是减小流体 的压力损失。其作用方法与之前的“洁能芯 单元组合式强化换热装置相似，将一根 第二章“洁能芯”单元组合式强化传热技术 软轴穿过两个挂件，并将两个挂件固定在换热管两端，通过中央通孔使软轴对中，若 干转子首尾相接地穿装于软轴上，一定数量的转子使用限位件限位以避免轴向力的累 积导致摩擦力矩过大并在原来磨损较大处引入了一定数量的垫圈以减小由于相对转 动造成的摩擦导致的转子磨损。目前该技术已经在中石化石家庄化纤有限公司、中石 化广东茂名石化乙烯动力厂自备电厂中应用。 2 2 “洁能芯 单元组合式强化换热技术原理 “洁能芯 单元组合式强化换热装置中与强化传热以及阻力损失息息相关的部件 是转子，而决定强化传热效果好坏以及阻力损失大小的关键就是转子的结构与尺寸参 数，转子的结构以及尺寸参数如图2 4 所示，由于其扭转的叶片结构导致其可以在流 体的作用力下绕着软轴旋转来带动流体反方向旋转。而尺寸参数主要有、d r 、d ，、 这几个参数，其中d ，代表转子外径、z 代表转子中心孔径、代表转子螺旋角、， 代表转子轴向长度。由于在下文运算中的不方便，引入一个等效的量导程t 来代 替表达转子的扭转角度，的值为等于3 6 0o 时的值，即转子叶片旋转过3 6 0 o 时的轴向长度。 匡 图2 4 转子儿何尺寸图 f i g 2 4g e o m e t r i e so ft h er o t o r 即当转子与软轴之间无摩擦力作用 ( 2 1 ) 其中为转子的极限转速，够为转子转过的角度，0 为转子转过g 需要的时间， 当取g 值为2 万时， f态状想理 在出得以 卜= ： 数 ：参速寸转尺限 上极 以的够一0 据子 = 根转 吩 时 北京化工大学硕士学位论文 t ，= 竺己( 2 2 ) j f 其中y ，为流体流速，为转子导程，所以，式( 2 - 1 ) 可以改写为： 2 - 3 )，= ， 7 此时，转子转速足够快以至于流体不发生偏转。但是由于摩擦力的存在，转子在 实际运行中的转速w 恒小于心，由于流体与转子的不可压缩，流体的转动的转速即 为： w ：w ，一w ，：堡一彬 )r(2-4 ，2 一一w ，2f 一雌 - 根据上文的分析，当“洁能芯”单元组合式强化换热装置安装在换热管中时，转 子会在流体的作用力下绕着软轴以w r 的角速度旋转。由于转子与软轴之间摩擦力的存 在，转子在实际运行中的转速w 恒小于，其中w 在流体流速及转子几何尺寸一定 的情况下是一个和转子与软轴之间摩擦力相关的因变量，并且随着摩擦力的增大而减 小。再根据式( 2 4 ) ，转子的转动会造成流体逆着转子转动方向以w ，的角速度旋转， 产生与温度场相对协同的旋转速度场。其中，流体的旋转速度w ，随着转子旋转速度m 的减小而增大，即会随着摩擦力的增大而增大。由于其扰动流体的流动，可以打薄甚 至破坏靠近管壁的边界层，从而极大地减小管程对流换热热阻。同时，由于旋转流动 的搅拌作用，能够置换管中心与靠近管壁的流体，使得管内流体的温度更加均匀，可 以增大管壁与靠近管壁流体之间的温差，能够有效地提高换热效率。并且，由于流体 旋向流的存在，使得靠近管壁处流体的湍动程度大幅增加，能够有效地防止污垢沉积， 延长甚至阻止污垢的产生。 2 3 本章小结 “洁能芯 单元组合式强化换热装置主要由挂件、转子、软轴、限位件等部件组 成，其强化传热原理为：通过扭转的叶片结构，使得转子在流体的驱动下进行旋转， 从而使得流体逆着转子转动方向发生旋转，造成环轴的径向流动，打薄甚至破坏边界 层，提高传热效率，防止污垢沉积。 “洁能芯”单元组合式强化换热技术作为新一代的强化传热技术，由于其材料、 成型方法以及单个尺寸小等特点，相比于螺旋纽带等同类内插件，具有加工制造简单、 便于运输安装等特点。目前其在理论研究上不断取得发展，并且在工业上也已推广应 用。而其强化传热与防止污垢沉积的效果将在下文中予以分析研究。 1 4 第三鼙“洁姥芯”单元组台式强化持热装置实验日究 第三章“洁能芯”单元组合式强化传热装置实验研究 根据上文的分析，“洁能芯”单元组合式强化传热装置能够扰动流体，使得流体 以w ，的角速度逆转子转动方向转动，以此达到强化传热与防止污垢沉积的效果为此， 有必要进行实验研究对此进行分析和验证。在本章中就以“洁能芯”单元组合式强化 传热装置为研究对象，借助实验手段，对“洁能芯”单元组台式强化传热装置或定性 或定量的分析。 31 污垢对比实验 针对于“洁能芯”单元组合式强化装置的防止污垢功能，进行了污垢对比实验 实验系统由两根串联有机玻璃管组成的回路、水泵、水箱组成。工作介质为含泥沙的 水，在连续运行了两个星期之后，其效果对比如图3 - 1 、图3 2 所示。图3 i 中为有无 安装“洁能芯”单元组合式强化传热装置的管路对比图，左上侧为放大国。图中可以 清晰地看到安装有“洁能芯”单元组合式强化传热装置的管路基本没有污垢的沉积， 同时没有安装“沽能芯”单元组合式强化传热装置的管路污垢沉积异常严重。由此可 图3 - 1 管路问的污垢对比田 f i g 孓1 c 彻l n s 伽o f d i r t t k t w e e n t u b e s 1 5 北京化i 大学硕士学位论文 见“洁能芯”单元组合式强化特热装置对于污垢沉积的肪止及破坏。 图3 - 2 中显示的是安装有“洁能芯”单元组合式强化传热装置的管路中有无安装 “洁能芯”单元组台式强化装置部分的对比图，图中管路的入口没有安装“洁能芯” 单元组舍式强化传热装置，通过图中，可以清晰地看到安装有“洁能芯”单元组合式 强化传热的部分基本没有污垢的沉积，而投有安装“洁能芯”单元组合式强化传热装 置的部分污垢沉积非常严重。由此可见“洁能芯”单元组合式强化传热装置对于污垢 沉积的防止及破坏效果显著。 冈3 - 2 管内有无转千部分l l 勺污垢对比凹 f i g3 - 2c o m p a r i s o no f d i r lb e l w e e np a r i s w i t hr o t o r sa n dn o t i n t h e m b e 32 传热与阻力特性实验 “沽能芯”单元组合式强化传热装置对于肪止及破坏污垢的沉积有很好的效果， 为了定量分析其对于传热效果提升的大小，进行了传热与阻力特性实验。并且，为了 找出转子几何尺寸对于传热贡献的影响，实验针对了五种不同尺寸的转予进行了对比 实验，其结构示意图如图3 - 3 所示其结构尺寸参数如表3 1 所示，转子的外径d ，值 分别为1 4 5 、1 55 、1 65 和1 9 。而转子的导程t 值分为1 0 0 和4 0 0 两种，转子的内径 d 皆为25 而转子的轴向长度分别为1 8 、2 0 和3 0 。其目的是为了对比在同样导程 ! t “洁瞻8 1 单元组合式强化传热装置实验研究 值下，外径的变化对传热与阻力系数的影响以及同样外径下，导程的变化对传热与阻 力系数的影响。 夕夕 1 4 5 x 4 0 01 5 、5 x 4 0 01 6 5 x 4 0 0 焉 1 9 x 4 0 01 9 x 1 0 0 圉3 0 五种转子示意图 f i g 3 - 3 f i g u r e o f f i v ed i f f e r e n tr o t o m 表3 - 1 转于几何尺寸参数表 t a b l e 3 - 1r o t o r g m c t x 7 p a r a m e t e r s 代号d ，( r a m ) d ，( r a m )卢( ( r a m ) 3 21 实验平台 “洁能芯”单元组合式强化装置的传热及阻力特性实验是在靖华大学传热强化与 过程节能教育部重点实验室的实验装置上进行的。实验装置如图3 - 4 所示实验装置 的原理如图3 - 5 所示。实验装置由冷媒系统、热媒系统、实验段和测量控制系统组成， 实验系统采用计算机自动控制和自动数据采集。应用基于模糊自适应方法的自动控制 北京化i 大学硕士学位论文 系统，保证实验段进口流量和温度的稳定可靠，可以实现实验段进口流量2 和进口 温度