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卧式换热管内铝制自旋扭带工作特性研究及流场数值模拟 摘要 换热管内自旋扭带不仅可以强化管内传热，而且具有在线防垢作用。 本文对卧式换热管内铝制自旋扭带的转动特性和阻力特性进行了试验研究 和数值计算，并对流场特性进行了数值模拟研究。本文提出通过数值计算 并结合近似迭代法求出自旋扭带转速的方法。 扭带转速和扭带压降( 流体与自旋扭带的摩擦力引起的压力降) 的研 究结果表明：扭带转速与流体流速成线性关系；扭带压降与流体流速的平 方成正比；扭带转速方程斜率和扭带压降的理论计算值、数值结果均与试 验结果比较吻合；扭带转速的主要影响因素是流体流速和扭带节距；扭带 压降的影响因素是流体流速、扭带宽度和扭带节距。 流场的数值模拟结果表明：自旋扭带管内存在两股螺旋方向相反的螺 旋流，而且在扭带两侧区域内明显有二次流旋涡；流体在扭带与管内壁环 形区域的轴向速度比管中心区域的高；近管壁环形区域内流体的速度明显 比空管的高，提高幅度为2 2 左右；自旋扭带管内流体的湍流动能比空管的 大；自旋扭带管的压力降约为空管的两倍；自旋扭带管中，受流体推动力 作用的扭带面及其附近区域的压力比其它区域的高。 另外，根据试验结果，运用非线性回归分析法拟合出扭带转速与扭带 结构参数、自旋扭带压降与扭带结构参数的关联式。 关键词：自旋扭带转动阻力流场数值模拟 s t u d yo nw o r k i n gc h a ra c t e r i s t i c so fa l i 瓜删u m s e l f r o t a t i n gt s t e dt a p ea n dn u n m r i c a l s i n n ，a t i o no ff l o wf i e l di nh o r i z o n t a lh e a t e x c h a n g e rt u b e a b s t r a c t t h es e l 矗r o t a t 迦晰s t e d 卸e 酬i nh e a le 妇g e rn 航c 觚砌m c eh 鼯t 仃a n s f e r a i l dp r e v e n tf o m 证go n - l i n e t h ee x p e 血l 朗t a ls t u d y 缸dm l l i l e r i c a lc a l c u l a t i o no fr o 僦n g c b a 阳c t e r i s t i c sa n dr e s i s t a n c ed i 戤劲：t e r i s t i c so fa l l m l i n i u m l b r o g 惭鲕e dt a p ei n s e n e d h 0 比o n t a lh e a te x c h 孤g e r 血b ea r ep r e s e m e di n 也i sp a p e r b e s i d e s ，也ec h a r a c 矧s t i c so ff l o w f i e l da r es t u d yb ym m l e 】叵c a ls i i i m l a ：c i o 轧an e wm e t l l o du s i i 坞m u n e r i c a lc a l c u l a ：t i o na n d a p p r 0 】【i m a t ei t e r a t i o nf 0 rc a l c u l a t i l l gr o t a t i n gs p e e do ft 耐s t e d 蜘p ei sp mf o m 瑚di nm i s p a p i 比 t h cr e s u l t so fr o t a t i i 培s p e e d 龇l dp r e s s u r el o s sa r 0 i l s e db y 衔c t i o nr e s i 蛐ek 婀v e e n 也e n u i da n dt h e 丽s t e dt a p es ：h o w 也a t ，m e t a t i n gs p e e do ft ：h e 丽吼e dt a p ei sl i i l e a rw i m m e n o wv e l 0 c i 够t h e ：p r e s s u r el o s so ft h et 丽s t e dt a p ei s 脚r t i o nt 0m es q 瑚f eo f 也ef l o w v e l 0 c i 哆t h et h e o r e t i c a la n dm m 砌叵c a lr e s u h so ft h es l o p e so fr o t a ：t i n gs p e e de q 【l 觚。璐觚d t h ep r e s s u r el o 豁o ft 、7 l ，i s t e dt a p ea 他c o n s i s t e n tw i mm ee x p e r i l n e n t m 他s u l t s t h ef l o w v e l 0 c i 锣a n dt h eh a l 鼻p i t c ho ft 丽s t e dt a p ea 托m ei m p o 咖t f a c t o r st 0t 1 1 er o t a t i i l gs p e e do f 丽s t e dt a p e t h ef l o wv c l 0 c 咄舭诵拙跹dm eh a l 邱i t c ho f 晰s 硼t a p ea r e 也ef a c t 0 幅t 0 t h ep r e s s u 托l o s so f 嘶s t e dt a p e t h er e s m t so f 珈m 】d c a ls i n l u l a ：t i o no fn o w6 e l ds h o wt h a ：t ，也e r ea 他t w oc o m p l e xs p i r a l f l o w si i lo p p o s i t es p i r a ld i r e c t i o 璐i i l 也et i l _ b e 近s 洲谢m l r o t a t i i 玛嘶鼬e dt a p e a n dt l l e c o n d a 珂f l o wv o n e xe ) 【i t si nt 丽始磁t a p eb o ms i d e sa r e a t h ea x i a lv e l o c i 够i nt h e 锄u l a r a r e ab 撕e nm e 丽s t e dt a p e 锄dt u b ew a l l i sl l i g h e r 也a 1 1t 1 1 ea x i a lv e l o c 时i n 也ec e n 砌绷 o ft h et u b e t h ev e l o c i 锣i nt h e 锄m d a r 黜an e 绁廿l et u b ew a l li so b v i o u s l yl l i g h e ra r o u i l d 2 2 t l l a l lt h cv e l o c 时i i l 此p l a i nt u b e 1 1 1 et u r b u l e n c e ce n e 聊o f t h en u i d 证吐l et u b e 妇e f t e d 诮n lt 、) 1 7 i s t e d - 切p ei sh i 曲【e r 也a i l 姒i n 龇p l a i l l 缸b e mp r e s s u r ed r o p0 f m et t i b e i i l s e r t e d 、玩m l f r 0 谢n g 嘶s t e d 乇l p ei sa r o u i l d 铆ot i m e so ft l l ep r e s s u r ed r o pi nt l l ep l a i n i i i t i l b e i nm et 1 1 b ei i l s e r t e dw i 也而s t e d - t a p e ，t h ep r e s u r ei nm es i d e so ft h et w i s t e dt a p ea c t e d b ym en l l i d 洫1 p e n 塔孤d 也ea r e a n e a rm o s es i d e si sk g h e r 也l 眦m ep f e s s u r ei n0 t h e r 撇 i na d d i t i o 玛b a s e0 nn l ee x p 豳e n t a lr e s u d t s ，吐l ec 0 r r e l a t i o nb 娟e e n 也er o 哳n gs p e e d 锄dm e 鼬r i l 触p 猢蝴o f 帆i s t i 硪t a p e ，恤c 骶l a t i o nb t 帅e e nt h ep r e s s u r el o s sa n d 也e 趵m c t u r ep 锄m e t e r so f 而s t i 甜t a p ea r ef i t t l e db yn o i l l i l l e 甜r e g r e s s i o na 妇【a l y s i s k e y w o i m s ：s e l f r 似i n g 似i s t e dt 印e ；r o t a t i o n ；r e s i s t a l l c e ；n o wf i e l d ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； 符号说明 意义 换热管传热面积 自旋扭带宽度 换热管的内径 范宁摩擦系数 重力加速度 节距，自旋扭带旋转1 8 0 0 的轴向长度 u 形管压差计水银液面读数差 总传热系数 湍动能 进口湍动能 进口混合长度 扭带长度 流体对扭带施加的旋转力矩 扭带旋转阻力矩 自旋扭带转速 压力 换热管两端因流体流动引起的总压力降 扭带压降 热量 流体体积流量 距管中心线的距离 v i 单位 m 2 m m 耐 m m 帅耐 耐 m m 蛐 h n h w 砒 m 瞩 特 彳 d 西 厂 g 日 k 七 k k m 吩 n p 卸 矽 q 甄 尺 x 、y 、z 意义 换热管的内半径 源项 时间 平均传热温差 流体流速 轴向速度 流体的环向流速 脉动速度 平均速度 进口速度 空间坐标三个分量 扭带倾角 扭带旋转角速度 扭带厚度 粘度 扭带单位面积上受到流体的摩擦力 密度 湍动能耗散率 进口湍动能耗散率 单位 m s 眺 眺 眺 眺 毗 眺 m 耐 融 m h 州槲 耐 褐 n s r 竹 材 屹 如 嘭 玩 y 艿 f p 8 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：z 蚴 学位论文使用授权说明 力僚少月弓日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名多绉矽红存导师签名：彩高希弩渺绰歹月罗日 卧式换热镬，内铝制自旋扭带工作特性研究及訇i 口易数值模拟 1 1 强化传热技术 第一章绪论 强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，可以通过改善和提高热传递 的速率，以达到用最经济的设备来传递一定的热量【l 】。 1 1 1 强化传热的意义 热传递过程是动力、核能、制冷、化工、石油、航空与航天等工业中是最常见的能 量传递过程。凡是实施把热量从一种介质传给另一种介质的设备都称为换热器【2 】。它是 上述工业部门广泛应用的一种通用设备。据统计【3 】，在热电厂中，如果将锅炉也作为换 热设备，则换热器的投资约占整个电厂中投资的7 0 左右。在一般石油化工企业中，换 热器的投资要占全部投资的4 0 5 0 ；在现代石油化工企业中约占2 0 3 0 。在制冷 机中，蒸发器的质量要占制冷机总质量的3 0 o o ，其动力消耗约占总值的2 0 q 0 。 可见，换热器的合理设计，运转和改进，对于节省资金、能源、金属和空间十分重要。 强化换热器传热过程就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量尽 可能增多【2 】。应用强化传热技术的目的是【4 】：提高现有换热器的换热能力；减小设计传 热面积，以减小换热器的体积和质量；减小换热器的阻力，以减小换热器的动力消耗； 使换热器能在较低温差下工作。由此可见【3 】，研究各种传热过程的强化技术并依此设计 新颖的紧凑式换热器，不仅是现代工业发展过程中必须解决的课题，同时也是开发利用 新能源和开展节能工作的紧迫任务。特别是近些年来，世界范围内出现能源危机，使得 能源和材料已成为热力系统总成本更重要的因素【5 1 。为了节约能源和降低消耗，就需要 更多地求助于强化传热技术。因此，研究和开发强化传热技术对于国民经济的发展有着 重要的意义。 1 1 2 强化传热的途径及分类 由传热计算式9 吠“呵知【5 】，要使换热器中传热过程强化，可以通过3 种途径来 实现，即：提高传热系数凡增加换热面积彳和增大平均传热温差r 。然而，增加换热 面积和增大平均传热温差往往受到各方面条件的限制。而且，当换热面积和平均传热温 差给定时，提高传热系数是强化传热的唯一途径。因此，提高传热系数是强化传热的重 要途径，也是当前研究强化传热的重点。 强化传热的分类方法有很多种，从不同的角度有不同的分类方法【3 6 】。按照b e 毽l e s 的分类方法1 7 j ，对流换热强化技术可分为有功强化传热技术和无功强化传热技术，前者 需要外加动力才能达到目的，后者不需要外加动力。有功强化传热技术包括机械强化法、 振动强化法、静电场法和抽压法等；无功强化传热技术包括表面特殊处理法、粗糙表面 法、扩展表面法、装设强化元件法、加入扰动液体法( 添加剂法) 等【3 j 。 卧式换热管内铝制自旋扭带工作特性研究及潮口易数值模拟 1 1 3 强化传热技术的发展 早在l8 世纪初就有人提出让风吹过物体表面强化对流传热，而该技术真正引起人们 重视是到2 0 世纪6 0 年代后。到2 0 世纪8 0 年代，强化传热已被学术界称为第二代传热技术。 进入2 0 世纪9 0 年代后，随着三维肋管、旋涡发生器和复合强化传热等技术的采用，强化 传热技术已开始由第二代向第三代发展【3 】。迄今为止，强化传热技术在动力、核能、制 冷、石油、化工乃至国防工业等领域中得到了广泛应用，国内外公开发表的论文和研究 报告超过6 0 0 0 篇，获得了数百项专利【5 】。今后，随着生产和社会的发展，强化传热技术 一定会得到更快的发展和广泛的应用。 1 2 防除垢技术 换热器污垢是指流体中的组分或杂质在与之相接触的换热表面上逐渐积聚起来的 那层固态物质1 8 j ，它是热的不良导体，通常以混合物的形态存在。 1 2 1 防除垢技术的意义【8 ，9 】 换热设备在运行中普遍存在污垢沉积的问题。据s t e 砒l a g e n 【l o 】等对新西兰1 1 0 0 家企 业的3 0 0 0 台各类换热器的调查表明，9 0 以上的换热器都存在不同程度的污垢问题。污 垢的存在，造成很严重的浪费和损失。据美、英、新西兰的调查，换热设备污垢给工业 发达国家造成的损失平均占国民市场总值的o 3 ，据g 燃p r i c e 【l l 】1 9 8 5 年的估计，美 国在换热器的污垢方面蒙受的经济损失每年达8 0 一1 0 0 亿美元。对我国这样的发展中国 家，由于许多换热设备相对比较落后，污垢造成的实际损失要更高一些。据调查，对于 换热设备，在我国平均每l 砌咀水垢要多消耗能源7 删，换热效率降低1 0 之o 。可 见，换热设备污垢所造成的能源浪费和经济损失是惊人的。因此，研究和开发换热设备 防除垢技术对节约能耗、提高能源利用率都具有十分重要的意义。 1 2 2 污垢对换热设备的影响 污垢对换热设备的影响主要有以下几个方面： ( 1 ) 由于污垢是热的不良导体，其热导系数a = o 1 7 4 1 1 6 3w ( m k ) ，与铜等熟的 良导体相比相差更大。所以污垢沉积在换热表面提高了壁温，使换热器的传热效率大大 降低【1 2 ，1 3 】： ( 2 ) 污垢在管内沉积使管内流体的流通截面积变小，管侧表面粗糙度增加，从而导 致流体压力降增大【1 4 _ 1 6 】； ( 3 ) 换热壁面上污垢的积聚还会引起局部过热或超高温，导致换热管机械性能下降， 导致换热管乃至整个换热器的失效【1 7 1 8 l ； ( 4 ) 污垢下还容易聚集各种对金属有害的物质，使局部腐蚀加剧，产生点腐蚀造成 穿孔，造成设备腐蚀泄漏，缩短使用寿命【1 9 1 ； ( 5 ) 由于污垢而引起的停车清洗，降低了设备连续运转的时间，造成产品的产量下 2 广西大掌硕士掌位论文卧式换热管内铝啊时自旋扭带工作特性研究及流场教值模拟 降【9 】。 1 2 3 防除垢的方法 为了防止或尽量减小污垢对换热设备的不利影响，人们不得不采取一系列的除垢和 防垢措施【2 们。在防垢方面，m u l l e r - s t e 址a g e n 、赵起等【2 1 】利用表面改性技术来提高换热 面的防垢特性。a r e n 和s u l l i v 觚【2 2 ，2 3 】开发了流态化自清洗换热器。程林【2 4 】利用流体诱导 振动抑垢原理开发防垢性能更好的新型弹性管束换热器。在除垢方面【9 j ，主要的清除方 法有机械方法、化学方法和物理方法。应用较多的机械方法有往复式机械法、旋转式机 械法、振动机械法、喷丸清洗、射流清洗法、固体颗粒流态化清洗等除垢方法；常用的 化学清洗方法有碱洗、酸洗、氨洗、专用溶剂清洗、燃烧除垢等；变频除垢等物理方法 则用得较少。 上述的停车清洗方法都存在一些弊端：设备长时间处于有垢状态下运行，效率很低； 停车使实际生产时间减少，影响产量和成本；人工清洗费力费时，且效果不佳，机械刮 ，削又易伤传热面。鉴于此，污垢的在线清洗技术应运而生。所谓在线清洗技术，就是指 换热设备在运行过程中能够清洗的技术。近些年来，在线清洗技术得到了广泛发展和应 用。目前，在线清洗技术有海绵胶球在线清洗法【2 5 2 6 】、液固流态化法跚、绕花丝多孔体 在线清洗法【2 8 1 、旋转螺旋线法、螺旋弹簧振动法、旋转扭带法、液轮机在线自动清洗等。 1 3 计算流体力学简述 已经知道，流体的运动学和动力学行为服从质量、动量和能量守恒定律，并由这些 定律定量确定【2 9 】。这些基本的守恒定律可以由流体流动的控制方程组来描述。所谓计算 流体力学( c o m p u t a t i o i 脚f l u i dd y n a l n i c s ，简称c f d ) 是指利用数值方法通过计算机求 解描述流体运动的控制方程，揭示流体运动的物理规律，研究流体运动的时空物理特征 的学科【3 0 】。 一般认为计算流体力学是从2 0 世纪6 0 年代中后期逐步发展起来的，大致经厉了四个 发展阶段：无粘性线性、无粘性非线性、雷诺平均的n s 方程以及完全的n s 方程。随着 计算机技术、网络技术、计算方法和后处理技术的迅速发展，利用计算流体力学解决流 动问题的能力越来越高，现在许多复杂的流动问题可以通过数值计算手段进行分析并给 出相应的结剁3 1 】。在航空、气象、海洋、流体机械、化学、铸造、制冷、工业设计、建 筑和车辆设计等各个领域都显示出强大的生命力。近年来，由于计算机速度和存储信息 能力的大幅度提高，特别是计算机自动生成三维物体网格能力的迅速发展，计算机软件 水平突飞猛进，给科学发展和工程应用设计带来了根本性的变化【3 2 l 。 流体力学的研究和分析手段分为理论分析、实验研究和数值计算三种。理论分析的 优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导实验研究和验证新的数 值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出 理论解。对于非线性情况，只有极少数情况可以得到解析解。实验研究所得的结果真实 3 广西大尊嵋炙士掌位论文卧式换热管内铝制自旋扭带工作特性研究及流场数值模拟 可信，它是理论分析和数值计算的基础。但是，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人 身安全和测量误差等的限制，难以得到结果。此外，实验研究往往周期长，费用高。而 数值计算方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就可 以提供大量的结果，形象地再现流动情况，与做实验没什么区别【3 3 1 。 1 4 内插物强化传热和防除垢技术研究 传热界专家指出洲：理想污垢清洗技术的原则是利用传热流体的动力实现传热面在 线自动清洗，同时使流体边界层传热过程得以有效强化。而管内插入物技术就是这样的 一种技术，它既可达到强化传热的目的，又能起到防除垢的作用。它的最大优点是【3 卯， 适合旧换热器的改造设计，且加工制造方便，可避免额外增加换热器，大大节省投资。 管内插入物强化传热的机理大致可分为四种【6 】：形成旋转流；使中心流体与管壁流 体产生置换作用；分割流体，破坏边界层的发展；产生二次流。管内插物的种类很多， 如扭带、螺旋线圈、螺旋弹簧、液轮机等。现分述如下。 1 4 1 扭带 扭带是一种应用较早的内插物，迄今有五十多年的研究历史。扭带是一种结构最简 单的管内旋流装置。螺旋形扭带通常是由薄金属片或者是其它容易变形的材料薄片强制 扭转而成。其主要参数是扭转比y ( 扭带扭转1 8 0 0 时轴向距离与扭带宽度之比) 。 固定式扭带是将宽度约等于管子内径、厚度约为l 就1 1 的薄金属片扭曲到一定程度 后，插入并固定于圆管内而成，其结构如图1 1 所示。旋转式扭带的结构如图1 2 所示， 在每根换热管中流体的进口端固定安装一根清洗扭带，扭带的长度大致与换热管等长， 在径向上，扭带与管内壁之间有较大的间隙，可以自由旋转。在轴心线方向上，采用入 口轴承架和钩头轴将其定位。运行时，利用传热介质自身流过扭带所传递的动量矩使扭 带旋转陋瑚j 。由于扭带本身的柔性和旋转作用，使得扭带在旋转中不断地刮扫和撞击管 内壁表面，达到连续、自动地清洗管内污垢的目的【3 1 1 。 i23 一砭 厂伍印尸一 图1 1 固定式扭带结构示意图刚 f 遮1 - ls 劬c t u r eo f f i ) ( e dt 耐删t a p e l 礤轴；2 啼口轴承；3 令凝管；毒_ 自动清洗蜜料纽带 图1 2 自旋扭带结构示意图【柏l f 适1 2s 饥劬eo fs e l f 二r o t 州n gt w i s t e dt a p e 管内插入扭带使流体对流传热得以强化的原因有d ，4 2 4 5 】： ( 1 ) 当量直径减小，导致换热系数增大； ( 2 ) 近管壁处剪切应力的增大和流速的加大，使换热得以强化； 4 卧式换热管内铝制自旋扭带工作特性研究及鞠口易数值模拟 ( 3 ) 流体在管内做螺旋流动，使得流动路径增长，流速增加，从而强化了传热； ( 4 ) 二次流导致流体混合增强，使传热强化； ( 5 ) 固定式扭带与壁面接触，它们之间的接触热阻较小，则可增大换热面积。 1 4 2 螺旋线圈 螺旋线圈也是最早研究的插入物形式之一。管内插螺旋线圈，能使流体边界层产生 二次扰动，增强流体的湍动程度，促进湍流流体主体与层流底层流体的混合；同时也使 流体在流动方向上产生一定的旋转，从而产生离心力，在传热面处形成较高的剪切力， 破坏层流底层，降低热阻，达到强化传热的目的。 研究多数在湍流下进行，不同的研究者得出的结果也不尽相同。文献 4 6 】进行了管 内插入螺旋线的降膜蒸发传热性能研究。结果表明：插入螺旋线换热管与光管相比，传 热膜系数可提高2 0 以上。 我国湘潭大学俞秀民等【4 7 】开发了一种高效的自动螺旋线强化传热除防垢技术，其结 构如图1 3 所示。由一根螺旋线和轴向固定用的入口支撑组成。管程液体在管内的流动 受到螺旋线的阻碍和导向而产生螺旋流动，由于螺旋线与管内孔不同心，这种偏心的螺 旋环流和螺旋线的漩涡脱离共同作用，使螺旋线发生随机振动，又由于螺旋环流的流体 给螺旋线的反作用力的切向分量，形成与螺旋线环流反向的工作力矩，驱动螺旋线连续 地旋转。此外，工作时螺旋线还有一定的轴向游动，游动的幅度在流量波动时更大，由 于螺旋线的连续转动和横向随机振动及轴向游动，使传热管内壁面的污垢得到刮扫和撞 击，加上螺旋环流与法向振搅的共同作用，达到在线、连续、自动防垢除垢的目的，并 使管内对流传熟过程中的边界滞流层得以有效地扰动而产生比清洁无垢时更好的强化 传热作用。 图1 3 螺旋线结构示意图【4 7 1 f i g 1 - 3s n l j c t u r eo fs p i r a ls p i 血培 1 4 3 螺旋弹簧 法国埃尔夫阿奎坦公司曾开发了一种名为s p 1 y 的螺旋形弹簧换热器。它是在换 热器内装螺旋形弹簧，弹簧借流体动力在管内振动运动，达到管壁除垢的目的。根据弹 簧的安装方式不同，螺旋弹簧在线污垢清洗技术可分为固定式、旋转式和分段式三种结 构【铝 4 9 】。 固定式的基本结构如图1 _ 4 所示，在换热管内插入一根与换热管等长的螺旋拉伸弹 簧，弹簧的两端绕紧于细杆上，并固定于换热器管板上，结构简单，安装方便。这种结 构适用于管内为过渡流或湍流流动的工况，并且一般要求流速不低于0 5m s ( 最好o 7 1 5 5 卧式换热管内铝制自旋扭带工作特性研究及鞠泌易数值模拟 i n s ) ，以保证具有较高的除垢效率。 l 2 ， 1 4 一弹簧固定杆：2 一内置弹簧：3 一换热管 图1 - 4 固定式螺旋弹簧结构示意图【5 0 l f 嘻1 - 4s n 眦t u 托o f f i ) 【e ds p i r a ls p 血g 旋转式的基本结构如图1 5 所示，将固定安装在换热管两端的固定元件改为活动支 承。在流体作用下，弹簧除了产生径向和轴向振动外，还会产生较好的擦洗作用。这种 结构的优点是流体的阻力比固定式弹簧的小，此外，在较高的流速下，弹簧因能整体转 动可擦洗传热面而具有较高的除垢效果。缺点是弹簧两端的支撑比较复杂，并存在磨损 问题，安装不如固定式弹簧容易，此外，对流速要求比较高( 0 6 州s 以上) ，推广应用 比较困难。 ，lm l l 八h 八 厂 u哪 vwvwv u 图1 5 旋转式弹簧结构示意图阳】 f 追1 5s 们咖聃0 f 呦s 面n g 分段式的基本结构如图1 6 所示，采用分段弹簧元件，端部弹簧的安装与固定式相 同，其它若干弹簧则不加固定，各段之间留有间隙。在流体的作用下，各段弹簧之间 产生弹性碰撞，弹簧很容易产生显著的径向、轴向振动，沿轴向还会产生穿梭式运动。 同时，各小段弹簧本身也容易产生转动( 固定端部的两段弹簧除外) 。这种结构的最大 优点是在较低的流速条件下就能获得较好的除垢效果，同时便于控制管程压力降。 径岛擐动碍强霸 耳内鬟稿 图l - 6 分段式螺旋弹簧结构示意图嗍 f i g 1 石s 仃l l 曲l 他o fs e c t i o n a ls p i r a ls p r i n g 实验文献【5 0 】采用自行设计的套管传热实验装置及流程，进行了内置螺旋弹簧换热 管的换热性能实验研究。实验研究结果表明，换热管内置螺旋弹簧时总的传热系数髟值 比无弹簧时要大，说明内置弹簧可提高换热效果，且弹簧振动时，传热系数达到最大； 6 卧式换热管内铝制自旋扭带工作特性研究及翻口勿教值模拟 在相同当量流量情况下，换热管内置弹簧可明显增加管内阻力降，且阻力降受弹簧刚度 和长度影响，但弹簧振动时阻力降趋于一致；弹簧与换热管内壁的摩擦可缓解管内壁结 垢，实现换热器的长期高效运行。 由此可见，管内插入螺旋弹簧技术具有强化传热和自动除垢双重作用。弹簧在流动 流体的作用下，在管内沿轴向伸缩振动，它破坏了管内侧的层流层，起到了扰流的作用， 同时对减缓结垢，延长换热器的工作周期也有作用【5 1 ，5 2 1 。 1 4 4 液轮机 广西大学林榕端教授和林清宇教授研发了一项具有在线防垢除垢和强化传热双重 功能的新技术换热管内微型液轮机在线除垢装置【5 3 1 ，结构如图1 7 所示。在换热管 内装有微型液轮机，液轮机转子的叶片呈螺旋形固定在轮毂表面，叶片的长度大致与换 热管等长。在径向上，叶片与管内壁之间有较大的间隙，可以自由旋转。在轴向上，轮 毂在支承架上定位。运行时，管程流体从支承架端流入换热 管内，液轮机转子在管内液体带动下自动旋转擦刮管内壁表 面，达到连续、自动地清洗管内污垢的目的。同时，液轮机 转子本身对流体有导流作用，形成基于流向的螺旋流动的复 杂流动，加上液轮机旋转刮擦对边界流层的直接扰动作用， 而同时实现传热强化酬。文献 5 5 】研究表明，液轮机可显著 强化管内换热，同时也使管内阻力损失有少量增加，例如装 入液轮机后，管内胁为无垢光管的1 4 9 1 6 2 倍，而阻力系 数仅为光管的1 1 3 1 1 6 倍。工业试验证明【5 6 j ，用换热管内 液轮机实现在线、连续、自动除垢、防垢效果好。 近年来国外也有学者对液轮机进行研究。印度 s i v a s h a n m l l g 锄等【5 7 】对螺旋叶片不连续、螺距不同的液轮机 进行了研究。他们研究发现，在高雷诺数情况下，使用不连 续螺旋叶片的液轮机既可以保证有较高强化传热性能，又可 以使因摩擦而引起的能量损失大大减小。 1 5 研究课题简介 图1 7 液轮机结构示意图【5 5 】 f 噜1 刁s t l l l 曲l mo f m i i i i 姗 h y d 删u l i ct i l 而i m 1 5 1 课题来源 本题课是在国家自然科学基金项目“换热管内微型液轮机动力学研究及广西科学 基金“微型液轮机强化传热研究 的基础上进行的。 1 5 2 研究的目的和意义 换热设备在化工过程中起着至关重要的作用。然而，换热设备在运行中普遍存在污 垢沉积的问题。污垢的存在会造成能源的巨大浪费和惊人的经济损失。从节能的角度出 7 卧式换热管内铝制自旋扭带工作特性研究及翻已场数值模拟 发，为了进一步减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，必须用各 种办法来增强换热器内的传热。所以理想的强化传热措施应该是还兼有在线自动清洗污 垢的能力。 在换热管内插入自旋扭带，既可以实现换热设备在线、连续自动除垢、防垢，又能 实现强化传热的目的。这种技术对设备的本体可以不做任何改变和施工，便于对现有换 热器进行改造，充分挖掘设备的潜力。推广应用，对节能有着十分重要的意义。由于自 旋扭带的工作特性对在线防除垢和强化传热的效果有着直接的影响，因此研究自旋扭带 的工作特性对于提高在线防除垢及强化传热的效率具有重要意义。 1 5 3 本文主要工作 课题前期已进行了立式换热管内铝制自旋扭带工作特性试验研究。本文主要通过试 验和数值计算，对卧式换热管内铝制自旋扭带工作特性进行研究，并研究其流动场特性。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 采用纯铝作为自旋扭带的制作材料，扭制成不同宽度、不同节距的扭带； ( 2 ) 运用已有的实验设备，测量在不同流量下介质的压力变化及扭带的转速； ( 3 ) 采用c a d 软件建立内置自旋扭带换热管内流场的几何模型，并使用网格划分软 件a n s y si c e mc f d 对几何模型进行网格划分； ( 4 ) 用流体分析软件a n s y sc f x 对自旋扭带管的流场进行数值模拟，通过数值计算 并结合近似迭代法求出自旋扭带的转速； ( 5 ) 对试验数据进行整理、分析，拟合出扭带转速与扭带结构参数、扭带压降( 压 力降增量) 与扭带结构参数的关联式； ( 6 ) 将扭带的转速和阻力降的理论估算值、数值计算结果和试验结果进行比较分析， 总结出影响扭带的转速和阻力降的因素； ( 7 ) 对自旋扭带管流场的数值模拟结果进行分析，总结出自旋扭带强化传热的机理。 1 6 创新点和亮点 ( 1 ) 本文运用理论分析、试验研究和数值计算三种手段对自旋扭带的转速和自旋扭 带管的压力降进行了研究和分析。扭带转速方程斜率和扭带压降的理论计算值、数值模 拟结果均与试验结果比较吻合； ( 2 ) 通过数值计算并结合近似迭代法求出自旋扭带的转速。使用此方法不仅使得计 算次数比较少，而且所计算得的转速比较接近自旋扭带合力矩为零时的转速； ( 3 ) 通过对自旋扭带管内流体流动场的数值模拟研究，证实管内流体的流动为三维 螺旋流动，而且在自旋扭带两侧的区域内确实存在二次流旋涡。 8 卧式换热管内铝制自旋扭带工作特性研究及嗣口易数值模拟 2 1 试验系统 第二章试验方法及试验数据处理 l 一储水罐2 一流量调节阀 5 一换热管6 一出口管 3 一进口管4 一有机玻璃管 7 一离心泵8 一水银压差计 图2 1 试验系统示意图 f 嘻2 ls k e t c hm 印o f d 【p e r i m ts y s t e m 试验系统如图2 1 所示。试验以水为工质，储水罐里的水由型号为i s w 6 5 2 0 0 离心泵 输送到管路，工质经电磁流量计和流量调节阀进入到转速测量装置，流经插入自旋扭带 的换热管后排到水槽。整个装置的阻力降通过水银压差计测量。水的流量用型号为 i f m 4 0 8 0 k 的电磁式流量计测量，当置入自旋扭带时用型号为s z g 4 4 1 b 的手持式数字测 速仪测量其转速。 2 2 自旋扭带装置 2 2 1 自旋扭带的材料与结构参数 ( 1 ) 材料 本试验采用纯铝作为扭带的材料。铝的化学性很活泼，属于热力学不稳定金属。但 铝的钝化倾向很大，不仅空气中的氧，而且溶解在水中的氧，及水本身都是铝的良好钝 化剂。除了在非氧化性酸和碱液中，铝质扭带都具有较高的稳定性，因此，铝质扭带的 应用范围是很宽广的。铝质扭带还具有良好的延展性，可以方便地扭制出很薄很轻且螺 距很小的扭带。此外，铝的硬度比铁小，因而铝制扭带对换热管的摩擦磨损也比铁制扭 带小。 ( 2 ) 结构参数 本试验所用扭带由厚度为0 5 咖的铝条按一定要求扭制而成，形状如图2 2 所示， 其主要结构参数为节距( 也称半扭距) 从宽度d 、扭转比y ( 弘妇缈) 等。扭带的结构参 9 厂西大学硕士掌位论文卧式换热管；内铝制自旋扭带工作特性研究及流场数值模拟 数见表2 1 ，其中型号采用d 晰记，扭带长度三= 1 3 9 5m m 。 图2 2 自旋扭带 f i g 2 2s e l f - r o t a t i n gt w i s t e dt a p e 表2 1 扭带结构参数表 t a b l e2 - 1s t r u c t u r ep a r 锄e t e r so ft w i s t e dt a p i e s 型号d 】，d m m 月，m m j ， 型号d 】，z ) m m胁m 】， 1 0 33 0 03 0 01 2 55 9 74 9 8 1 0 - 44 0 74 0 71 2 6 1 2 7 3 36 11 1 0 51 05 0 25 0 21 2 - 78 6 o7 1 7 1 0 66 0 76 0 71 3 _ 45 1 13 9 3 1 0 - 76 9 06 9 01 3 56 2 84 8 3 1 3 1 1 33 2 32 9 41 3 68 2 56 3 5 1 1 44 3 53 9 51 3 79 2 17 0 8 1 1 51 15 5 35 0 3 1 4 - 45 3 93 8 5 1 1 66 7 86 1 61 4 - 57 0 25 0 l 1 4 1 1 77 8 67 1 51 4 68 4 76 0 5 1 2 33 5 72 9 81 4 71 0 0 27 1 6 1 2 1 2 44 7 53 9 6 2 2 2 换热管结构参数 试验中所用换热管由无缝钢管制成，管的尺寸为曲2 5 2 8i m ，管长1 4 0 0m m 。 2 2 3 轴承架和钩头轴 轴承架和钩头轴的作用是将扭带定位在入口中心处，使扭带在水流作用下自由旋 转。轴承架的制作是将厚度约为1 眦l 的铁片裁成三条脚形状，然后在其中心钻孔以安 放钩头轴，接着将三条脚折成三个挡肩，并加钢丝固定，如图2 3 所示。对轴承架的要 求有三个：一是要有较大的流通面，以尽量减少阻力损失；二是要有较大的刚性，不至 于因受到扭带的拉力而变形；三是配合面要比较光滑，以尽可能减少对钩头轴的摩擦阻 力。钩头轴是直接由钢丝弯折而成，见图2 - 4 。 图2 3 轴承架 f i g 2 - 3a x l e 仃e es u p p o r t 1 0 图2 4 钧头轴 f i g 2 4h o o k e ds h a r 卧式换热管内铝制自旋扭带工作特性研究及霸口易数值模拟 2 2 4 自旋扭带装置结构 自旋扭带试验装置由换热管、自旋扭带、有机玻璃管、轴承架及钩头轴等组成，结 构如图2 5 所示。有机玻璃管的两端分别装有轴承架，用来支承钩头轴的两端。其作用 除了使钩头轴和扭带轴向定位外，还可以使钩头轴稳定地在轴心上运转，提高测量的准 确性。钩头轴上贴有反光镜片，便于测速仪测量转速。扭带的一端与钩头轴联接，而另 一端为自由端。在径向上，扭带与管内壁之间有较大的间隙，可以自由旋转。 l 一水银压差计接管口2 一进水管法兰3 一垫片4 一有机玻璃管5 一换热管6 一出水管法兰 7 一自旋扭带8 一钩头轴9 一轴承架l o 一反光镜片1 1 一塑料小管 图2 5 自旋扭带装置示意图 f i g 2 - 5s k e t i c hm a p0 fs e l f 二r o t a t i l l g1 w i s t e dt a p ed e v i c e 2 3 试验步骤 ( 1 ) 扭带安装。将扭带剪截到所需的长度，扭带一端削成半圆形并钻孔，以便安装 钩头轴。将换热管内原有的扭带拆卸，装入待测扭带，与钩头轴联接，再重新安装换热 管。 ( 2 ) 扭带试转。启动离心泵，将流量调至最大值，让装置运行若干分钟。其目的有 三个：一是确保扭带安装正确，运转正常；二是通过水的冲击作用尽量把扭带校直；三 是让扭带在换热管内进行磨合，使装置在运行时更加稳定。 ( 3 ) 检查装置。通过有机玻璃管段检查管内是否有气泡存在，若有则须先排除干净， 否则会影响试验结果。将流量调至零，检查u 形管水银压差计两侧液面是否在同一水平 线上，若不在，可能是压差计两端的引管存在气体的缘故，应将气体排出，直至压差计 两侧液面在同一水平线上为止。 ( 4 ) 数据测量。流量从零开始，先逐次递增，流量达到5 om 3 1 1 后再逐次递减，每次 调节量为0 2 5m 3 l l 。记录每个流量点的数据，如流量g ，、扭带转速珂、压差计两端液面 高度差 。扭带起转和停转时的数据也应记录。 ( 5 ) 数据测量完成后，将流量调至零，关闭测压管阀门，更换其它型号的扭带，重 复以上步骤。 卧式换热管内铝制自旋扭带工作特性研究及镊口易数值模拟 2 4 试验数据处理 2 4 1 基本参数及关系式 2 4 1 1 流体流速 空管时，流体的流速甜为： g 。 舻= ：乏i ( 2 1 ) 3 6 0 0 兰d ? ￥。1 ， 4 式中“流体的流速，州s ； q 广硫体的体积流量，m 3 h ； 诱二换热管内径，o 0 1 9 4m 。 置入扭带后，换热管的流通截面积为换热管的截面积与扭带横截面积之差，因此式 ( 2 1 ) 变为： ：一一，! 三， 3 6 。睁加刁 式中口珈带的宽度，o 0 1 0 o 0 1 4m ； 艿扭带的厚度，0 0 0 0 5m 。 2 4 1 2 流体压力降 流体的压力降可由u 形管水银压差计测取。由压差计两侧液面的高度差乃则可计算出 流体的压力降p ： 卸= p 地一p 日2 0 劬( 2 3 ) 式中p 换热管两端的压力降，p a ； p 胃，d 水的密度，9 9 8 2k g 岔； p 嵫水银的密度，1 3 5 9 5 1k g o ； i l l - i7 形管水银压差计两侧液面高度差，m ； g 重力加速度，9 8 1m ，s 2 。 2 4 2 回归分析法简述 本文运用回归分析法处理试验数据的变量关系( 如流速与扭带转速关系、流速与压 力降关系等) 。所谓回归分析法是指处理变量之间相互关系的一种数理统计方法。用这 种数学方法可以从大量观测的散点数据中寻找到能反映事物内部的一些统计规律，并可 以按数学模型形式表达出来，故称它为回归方程( 回归模型) 。回归分析中，当研究的 因果关系只涉及因变量和一个自变量时，叫做一元回归分析；当研究的因果关系涉及因 变量和两个或两个以上自变量时，叫做多元回归分析。此外，回归分析中，又依据描述 自变量与因变量之间因果关系的函数表达式是线性的还是非线性的，分为线性回归分析 和非线性回归分析。通常线性回归分析法是最基本的分析方法，遇到非线性回归问题可 1 2 广西大掣蝎炙士掌位论文卧式换热管内铝制自旋扭带工作特性研究及翻r 场数值模拟 以借助数学手段化为线性回归问题处理。关于回归分析法的具体计算过程见参考文献 【5 8 ，5 9 】。