（机械设计及理论专业论文）转子组合式强化传热装置扰流场及温度场分析.pdf

摘要 转子组合式强化传热装置扰流场及温度场分析 摘要 换热器是回收余热或废热、提高热能利用率的主要设备，其中管 壳式换热器在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业应用非常 普遍。多数换热器流速低、容易长垢，沉积的污垢不仅增加热阻、直 接影响传热效率，而且引起流道变窄、流动阻力加大、动力消耗增加， 甚至使设备局部过热，引起爆管等事故，影响设备安全运行。针对管 壳式换热器存在问题，若要提高其换热效率、降低能耗，清除换热器 内的污垢和减少污垢沉积、强化管内流体对流换热是非常重要的。 换热器强化传热及清洁技术一直是研究热点。转子组合式强化传 热装置，可以实现换热管内在线自动清洗和强化传热。本研究借助数 值模拟方法研究其强化传热机理、流体流动特性及传热特性，并进行 实验验证。 本研究通过建立转子组合式强化传热装置管程三维流动换热模 型，和采用r n g k 一占湍流模型，对换热管内的流场、温度场以及换热 过程进行模拟，得到管内流体的流动特性和传热特性。模拟结果与实 验数据吻合良好，表明装入强化传热装置的换热管换热效率较光管有 很大提高，但同时阻力降增加。模拟结果还表明，换热管内的流场整 体是较复杂的三维螺旋形流场，且靠近管壁处流体有明显的切向速 度，湍流度也因此增大，增强了换热。还初步研究了转子导程和换热 管内径两个参数对换热效率的影响，得出同样内径的换热管放置导程 较小的转子会带来更优换热效率的结论。 关键词：数值模拟；转子组合式强化传热装置；r n g k 一占模型；强化 传热 i l 摘要 a n a l y s eo nt h ef l o wt e m p e r a t u r ef i e l d i n s i d eat u b ei n s e r t e dw i t h r o t o r s a s s e m b l e ds t r a n d a b s t r a c t h e a te x c h a n g e ri st h ep r i m a r ye q u i p m e n tt or e c l a i me x c e s sh e a ta n d w a s t eh e a t o fa l lt h eh e a te x c h a n g e r s ，s h e l l - a n d - t u b ee x c h a n g e ri si n g e n e r a lu s e di ni n d u s t r ys u c ha sp e t r o l e u m ，c h e m i c a l ，m e t a l l u r g y 、e l e c t r i c p o w e r 、l i g h ti n d u s t r ya n df o o d s t u f f m o s to ft h eh e a te x c h a n g e r sh a v el o w v e l o c i t yo ff l o w d i r tw h i c he a s i l yd e p o s i to nt u b e ss u r f a c ei n c r e a s eh e a t r e s i s t a n ta n dr e d u c eh e a t t r a n s f e rr a t i o ，b e s i d e s ，t h a tt h ed i r tn a r r o w i n g t h ef l o wr u n n e ra n di n c r e a s i n gf l o wr e s i s t a n c ec a u s ep o w e rc o n s u m e i n c r e a s ea n dl o c a lo v e r h e a t i n go fe q u i p m e n ta n de v e nc a u s et u b eb u r s t a l lt h es i t u a t i o na b o v ei n f e c tt h es a f e t yo ft h ee q u i p m e n ta n db r i n gh u g e e c o n o m i cl o s s e sf o ro u rc o u n t r y e n e r g yu t i l i z a t i o nr a t i oi sl o w e ri no u r c o u n t r yt h a ni nd e v e l o p i n gc o u n t r y i f t h eh e a t - t r a n s f e rr a t i oc a nb er a i s e d g r e a t l yw ec a ns a v em o r ea n dm o r ee n e r g ya st h eh e a te x c h a n g e rp l a ya n i m p o a a n tp a r ti n0 1 1 1 i n d u s t r y s oi t sv e r yi m p o r t a n tt oc l e a na n dr e d u c e t h ed i r tw i t h i nt h et u b ea n di n c r e a s et h eh e a t t r a n s f e rr a t i o i i i 摘要 t h er e i n f o r c e m e n to fh e a t - t r a n s f e rr a t i oa n dc l e a n i n gi sa p o p u l a r r e s e a r c ha l lt h ew h i l e o u rl a bi n v e n tan e wh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t d e v i c r - j i en e n g x i nw h i c hc a ni n c r e a s eh e a te x c h a n g ea n dc l e a n i n g o n l i n ea u t o m a t i c a l l y t h i sa r t i c l er e s e a r c h e st h er e i n f o r c e m e n to fh e a t e x c h a n g e ，f l o wb e h a v i o r , a n dh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e ra n dc e r t i f yt h r o u g h e x p e r i m e n t i no u rr e s e a r c h ，r n g k et u r b u l e n c em o d e lw a se m p l o y e dt ob u i l d u p3 - df l o wm o d e lo fc o n c e n t r i ct u b e si n s e r t e dw i t hr o t o r s a s s e m b l e d s t r a n d f l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l da n dp r o c e s so fh e a te x c h a n g ew e r e r e g a r d e dt oe v a l u a t ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si nt h et u b e 1 1 1 e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dr e a s o n a b l yg o o da g r e e m e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t a ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t e dt 1 1 a tc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r w a sm o r ee n h a n c e d ，a n ds oi st h e p r e s s u r e i na d d i t i o n a l ，t h e t h r e e - d i m e n s i o n a lf l o wo ft h et u b es i d ew a sv e r yc o m p l e x ，w i t hc l e a r c i r c u l a rf l o wb e t w e e nr o t o r sa n dt u b ew a l l ，w h i c hm a k et h et u b ea c h i e v e d s t r o n gt u r b u l e n c ei n t e n s i t y b e s i d e st h ew r i t e rh a sr e s e a r c h e dt h ee f f e c t i o nt oh e a t t r a n s f e rr a t i o b yp i t c ha n dt h e i n s i d ed i a m e t e ro ft h et u b e ，t h e nw ec a ng e tt h e c o n c l u s i o n ：i ft h ei n s i d ed i a m e t e ro ft h et u b ei st h es a m e ，t h et u b ew h i c h i n s e r t e daj i en e n g x i nw i t hs m a l l e r p i t c hh a sah i g h e rh e a t - t r a n s f e rr a t i o i v 摘要 k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；r o t o r s a s s e m b l e ds t r a n d ；r n g k g m o d e l ；h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t v 符号说明 符号说明 有效导热率，m 2 ； 热传导系数； 组分- ，的扩散通量； 化学反应放( 吸) 熟及任何其它自定义的体积热源的总表达； 组分j 的质量分数； 体积热源，j ； 由层流速度梯度而产生的湍流动能，j ； 由浮力而产生的湍流动能，j ； 在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动； k 方程的湍流普朗特数： 占方程的湍流普朗特数； 有效湍流黏性系数； 对流换热系数，w m - 2 k ： 总传热系数，w m - 2 k - 1 ； 努塞尔数，无量纲； 流体平均流速，m s 1 ； 流体介质密度，蚝m 。3 ； 流体介质运动粘度，m 2 s ； x i 屹k瓯彤，矿m倚办k m 甜p u 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：查途一日期：上型乒啦 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： 导师签名： 日期：j q 母一 第一章绪论 1 1 课题来源、名称 第一章绪论 本课题来源：自选题目。 课题名称：转子组合式强化传热与在线自清洁装置扰流场及温度场分析。 1 2 研究背景 在化工、炼油、能源和医药等工业过程中，热能的利用程度直接关系到产品 的成本和企业效益。换热器是回收余热或废热、提高热禽k1 0 用率的主要设备。其 中管壳式换热器在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业应用普遍。在炼 油化工装置中换热器占总设备数量的4 0 左右，占总投资的3 0 - 4 0 ，但其中 大多数设备流速低，容易长垢，沉积的污垢不仅增加了热阻，直接影响传热效率， 而且引起流道变窄，流动阻力加大，导致动力消耗增加，甚至能使设备局部过热， 引起爆管等事故，严重影响设备的安全运行，使设备运行效率低下，能耗巨大， 给国家经济造成相当大的损失。国家发展和改革委员会发布的节能中长期专项规 划指出：2 0 0 0 年按现行汇率计算的每百万美元国内生产总值能耗，我国为1 2 7 4 t 标准煤，比世界平均水平高2 4 倍，比美国、欧盟、日本、印度分别高2 5 倍、 4 9 倍、8 7 倍和0 4 3 倍。我国能源效率比国际先进水平低1 0 个百分点，我国能 源利用率与国外有明显的差距。针对管壳式换热器在化工行业的重要地位，其换 热效率的提高可以为国家节约大量能源，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。 针对管壳式换热设备的结垢和传热效率问题，在线自动清洗强化传热技术是 解决问题的有效途径，其研究与开发离不开理论的指导和研究手段的辅助。传热 管是换热器中的核心构件，其结构不但影响管程的传热系数，而且也会影响壳程 的传热系数。因此，国内外许多学者致力于传热管的强化传热结构开发和性能研 究。国内外的研究者和工程技术人员针对换热管在污垢研究、强化传热机理、流 动状态、传热性能评价、强化传热技术等方面开展了卓有成效的研究。所采用的 研究手段主要有理论分析、实验研究、数值模拟等。 北京化工大学硕卜论文 1 3 强化传热与清洁技术的发展与现状n 棚 强化传热技术一般可分为主动强化和被动强化两类，主动强化传热技术受到 外加能量等因素制约，因而工程实际中常采用被动强化传热技术，即通过增加单 位体积内的传热面积或提高传热系数而使单位时间内传递的热量增加。强化单相 对流传热机理可概括为三种：( 1 ) 破坏或减薄流体的速度边界层，( 2 ) 促使或加剧 液体湍动，( 3 ) 减薄热边界层。在这些理论指导下，强化传热技术概括出来主要 是两种途径：( 1 ) 增大传热面积，( 2 ) 提高管程和壳程的传热系数。对于第一种 强化传热途径，换热器的传热面积不能无限制地增大，一方面是节省投资费用， 另一方面，随着工业化的发展，设备应该更紧凑化。在提高管程和壳程的传热系 数方面，国内外已有许多学者做了大量富有成效的工作，已成功开发出多种强化 传热结构，如各种表面强化传热管及管内插入物等是管壳式换热器管程的主要强 化传热技术，大大提高了管程的对流传热系数。 迄今为止相关专家学者已研制开发出了各种强化管，如螺旋槽管、横纹管、 缩放管、凹凸管、波纹管、波纹内翅片管、微肋管、螺旋管、螺旋椭圆扁管和异 形管。传热内插件也已有很多的研究成果，包括螺旋扭带、错开扭带、螺旋线圈、 螺旋叶片、螺旋刷和静态混合器等，有的已成为产品并在实践中有了较好的应用。 但是这些强化管及内插件都只是一定程度上提高了换热效率，还有很多不理想之 处，例如内插件对防污除垢的用处不明显，对管壁造成一定程度的磨损使换热设 备的寿命减少，而强化管只有防污没有除垢的作用，还会产生局部结垢导致垢下 腐蚀，而且内插件相应产生较大的阻力降是一个很难解决的问题。针对防污除垢 方面，有些学者研制了机械清洗、化学清洗、在线胶球清洗和往复刷技术。这些 技术对清洗传热管污垢提供了一种良好的方式，却无强化传热效果，而且每次清 洗都要停机停止生产，消耗大量的水及化学清洗剂，清洗后的胶球和刷都不能回 收或回收量很小，花费很大并在一定程度上造成了能源的浪费。因此，相继开发 了弹簧线圈、塑料扭带等强化传热与在线清洗并行的技术。 1 3 1 几种常见内插件和强化管现有的研究方法与成果岫刀 管内插入物 管内插入物的强化传热机理都可分为以下四种：( 1 ) 形成漩涡流；( 2 ) 破坏 边界层；( 3 ) 中心流体与管壁流体产生置换作用；( 4 ) 产生二次流。管内插入物 的优点是对换热器进行的改造以提高其换热性能。有的能在强化传热的同时清除 2 第一章结论 污垢。 现有的几种典型的简便易行的管内插入物，如扭带、螺旋扭片、静态混合器、 螺旋( 线) 弹簧、波带、丝网和多孔体等。插入物是一种扰流装置，以固定的形状 加装于传热管内与管壁相对固定或随着流体振动，对流体产生扰动或破坏管壁 表面的液体边界层而达到强化传热的目的，并具有防垢、除垢的效果。用插入物 作为强化管内单相流体传热的一种手段，易于装拆，维护简便，尤其有利于对原 有设备的挖潜革新。 扭带和螺旋扭片都是金属薄片扭制或塑料薄片热加工而成，其特性参数是片 的扭率( 即一个扭程的间距和管径之比) 和片的厚度。扭带或螺旋扭片使流体在营 内产生连续旋流，螺旋流引起的二次流促进了径向混合，因而强化管内对流传热。 螺旋弹簧对管内单相流体的传热具有强化作用，当弹簧处于来回运动状态 时，即可强化传热又有防垢作用，同时产生较大压降。弹簧的几何尺寸对传热的 影响随流量的增加而变明显。在文献【l l 】中研究了弹簧管的传热性能，建立了套管 传热实验装置及流程，分别对空管、放置有不同长度和刚度的弹簧的管子进行实 验。得出短弹簧的传热系数小于大弹簧，而大弹簧传热系数小于长弹簧的结论。 静态混合器是一种高效的静态混合元件，现有k e n i c s 型、s u l z e r 型等数十种 形式主要结构是由螺旋角相反的扭带对头焊接而成，具有使流体切割、旋转和 重新混合的功能，依靠设备的特殊结构和流体的运动，造成流体不断分割和反复 转向促进径向混合，强化传热效果明显。适用于液一液混合。静态混台器结构 紧凑、制造安装方便，操作能耗低，主要用于层流流动，能够增大管内对流传热 系数3 5 倍，但一般以增大压降作代价。 交叉楔形波带 静态 e 和嚣 蘧蛰 螺旋( 缄) 弹簧 ；渗鬻雾誓努爱蠹麓雾慧 圈1 - 1 儿种典型内插件 f i g 1 is o m e t y p i c a li n s e r t s 北京化工人学硕士论文 扭带对强化层流区高粘度流体换热比较有效，但产生的压力降较大。螺旋线 圈对流速较低的高粘流体，像油类介质传热具有较为明显的强化传热效果，对流 速较低的气体介质也有较好的强化传热效果。绕花丝内插物是由几组相同的线圈 环绕同一中心轴线扭转而成，形成一种特殊的多孔体，换热性能好，结构紧凑且 压降小，动力消耗小。一般来说，螺旋线圈的综合强化性能好于扭带，而绕化丝 的性能要好于螺旋线圈。俞秀民、俞天兰、彭德其、蒋少青等研究塑料纽带的强 化机理，并针对纽带的改进型斜齿纽带【7 】、入口反旋强化纽带【8 】和螺旋齿管等进 行了动力学、传热及阻力特性的实验和理论研究；a l b e r t og a r c i a t 9 j 等人做了光管 中放入螺旋金属线圈的试验来研究层流和过渡流状态下的传热情况，在层流带摩 擦因素增加了5 4 0 ，层流持续过渡到湍流，光管中没有不稳定的压力降波动， 实验结果与装有纽带的光管比较得出在r e = 7 0 0 2 5 0 0 下金属线圈的效果比纽带 好。s m i t he i a m s a a r d ，p o n g i e tp r o m v o n g e 1 0 】对螺旋带进行了传热实验研究，管内 雷诺数在2 3 0 0 8 8 0 0 之间，实验数据与光管进行比较，得到螺旋带有很好的传热 效果但同时也引起了较大的压力降。 虽然能够真正有效地自动清洗传热管内污垢的技术已经有循环流态化、自转 螺旋线、自转纽带等，但是这些技术还有需要克服的缺点，例如循环流态化技术 是0 2 0 m s 左右低流速的立式传热设备，而卧式传热设备占传热设备台数的9 0 。 自转钢丝螺旋线技术的自动清洗防垢与传热强化的功能比较理想，但是与管壁的 磨损问题还难以解决，以至无法工程应用。自转塑料纽带技术只适应于1 0 m s 以上较高流速的设备，而且传热强化幅度不高，总传热系数只比光管提高 8 1 5 。 虽然管内插件有缺陷的存在，但国内在此方面也有所效果较好的尝试。青岛 石化厂常减压装置和天津石化厂常减压装置换热系统采用国产纽带扰流子内插 件换热器，管内膜传热系数提高2 3 倍，而压降增加不大。上海石化总厂乙烯 厂常减压蒸馏装置换热器采用国产交叉锯齿形带内插件，在压降不增加的前提 下，总传热系数较光管提高了5 0 。 强化管 螺旋槽管【1 2 0 6 】是用机械辊压方法加工而成的一种强化传热管，辊压使管外表 面形成连续的螺旋形凹槽，内表面形成螺纹状的凸起，凸起与管轴线呈一定的 螺旋角。当流体在管内流动时，管内表面螺旋形凸起对近壁处流体产生扰流作用， 使流体形成螺旋运动并产生局部二次流。实验证明，螺旋槽管的管内传热系数是 光管的1 5 2 0 倍，管内流动沸腾传热系数可达光管的2 倍。螺旋管主要用于 强化管内气体和液体的传热、强化管内液体的沸腾或管外蒸汽的冷凝。根据在光 管表面加工螺旋槽的类型螺旋槽管有单头和多头之分，其主要结构参数有槽深、 4 第一章绪论 槽距和槽旋角。华南理工大学邓颂九等对不同结构尺寸的管做了大量传热换热流 动特性实验研究，得出在相同r e 、槽深和槽距情况下，单头管和多头管的传热 系数差不多，但多头管的阻力系数要高于单头管。重庆大学经实验研究及理论推 导，得出了单头螺旋槽管的半经验公式。徐志n t l 。7 】等人进行了螺旋槽管的传热性 能试验，得出了螺旋槽管管内强制对流换热关联式，并进行了螺旋槽管机器对应 光管管内污垢的对比实验，实验表明螺旋槽管有较好的传热性能，但阻垢性能却 弱于光管。还有东南大学的周强泰等人都做了大量实验得出阻力系数随r e 的变 化规则。帅志吲1 8 j 等人对螺旋槽管的污垢特性进行了研究，给换热器的设计与选 型提供重要的参考。但是螺旋槽管的污垢性能方面的研究尚无一致结论。北京理 工大学【l 川在多年实验研究基础上，对螺旋槽纹管管道内的紊流流动和换热进行数 值模拟研究，取得了可喜的成果。 北京理工大学姚仲鹏等人基于对螺旋槽管的研究，开发出旋流管，旋流管也 叫异形螺旋槽纹管，结构与螺旋槽管类似，但槽被压制成半流线的勺形或“w ” 形。由于角槽的凸起作用，在进壁处流体产生旋转运动，增加了流体与壁面之间 的相对运动，增加了流体微团参与热交换过程，减薄了边界层厚度，从而增强了 换热。北京理工大学热工实验室对8 根不同结构参数的铜制旋流管进行传热与流 阻的实验研究，用最小二乘法和相似原理处理实验数据确定换热公式和阻力系数 关联式，不同的结构参数对传热有着很大的影响。 波纹管是利用特殊的波峰波谷的设计，使管内流体边界层破坏、产生喷射与 节流效应和管内流体扰动现象，从而提高传热效率。肖金花、钱才富【2 0 】等通过有 限元数值计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，探讨了其强化传热机理。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 0 6 3 倍，最佳 强化效果出现在r e = 1 60 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。此外还拟合出了波纹管内的传热准则方程，有助于指导波纹管 换热器的工程设计；缩放管和波纹管结构相似，管子的横截面积都呈周期性变化， 不同之处是缩放管的每个周期都由收缩段和扩张段组成，每一段都呈圆锥形，而 波纹管的每个周期段都是波纹形。在两种管型中，流体始终受到方向反复变化的 纵向压力梯度作用，因此流体在扩张时产生的剧烈旋涡，在收缩时有效地利用了 旋涡的作用，使流体在管壁内表面不能形成连续的边界层。试验表明，在同等压 力降下，缩放管的传热量比光管增加7 0 以上。缩放管的形状为相对流线型， 因而流动阻力比横纹槽管小，更适合低压气体和含杂质的流体传热。 螺旋扁管是瑞士a l l a r e s 公司首先提出，美国b r o w n 公司经过改进的一种换 热管，由圆管轧制而成或由椭圆管扭曲成螺旋形，具有一定的导程。其结构特点 北京化t i * i 是管子换热段的任一截面为一长圆( 可于光管掘台使用作为混合管束) ，管的独 特结构能使管程与壳程同时处于螺旋流运动，促进湍流程度且压降较小。南华 大学的卿德藩等通过实验得出了螺旋扁管强化传热及阻力性能特性，即在较低 耻下强化效果较好引起的阻力系数增长幅度与传热系数增长幅度相同。 变截面管是将普通圆管用机械方法相隔一定节距轧制成互成9 0 9 ( 正方形布 管) 或互成6 0 。( 三角形布管) 的扁管形截面，利用管子扁圆形截面的突出部位相 互支撑，不需要折流板。管内流体由于管截面的变化而改变了流动形态，能破坏 和减薄管壁内表面液体边界层，从而提高管内对流f 热系数。 闲j 先和口”等对螺旋槽管、横纹管和两种不同结构尺寸的缩放管进行了流阻和 传热性能试验研究，并与光管进行对比，通过综合评价，其综合性能按优劣依次 为螺旋槽管、横纹管、缩放管。另外对缩放管恤有研究，通过引入无困温度分 布式，求解缩放管内任一截面的传热斯坦顿数，并以此为基础导出了缩放管整体 传热准数预测公式。根据相似律又得出传质斯坦顿数的预测公式。徐志明等 2 3 - 2 5 1 对横纹管和缩放管进行了传热性能试验，分别得出了两种管内强制对流换热关联 式，并与光管进行对比，得出横纹管和缩放管都有较好的传热性能和较好的阻垢 性能。 鬻签_ 擞日管 图1 - 2 儿种典型强化管 f 艳1 - 2s o m e t y p i c a le n h a n c e d t u b e s 除了强化管和插入件两种强化技术外，复合强化传热技术也作为一种先进技 术被广泛应用，即两种或两种以上的强化措施同时应用，以期获得更大传热强化 效果技术。例如v e n t s i s l a vz i m p a r o v 2 7 岍究的单头螺旋波纹管、三头螺旋波纹 管分别与纽带组合强化传热通过大量实验研究得出，组合后的强化传热效果更 显著，而组合后估热管内的运动场和速度场更加复杂。 第一章绪论 图1 - 3 螺旋线与扭带复合强化传热 f i g 1 3 c o m p o u n dh e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n t o f c o i l w i r ea n d t w i s t e d t a p e 强化管在国内外已经有了许多成功的开发和应用实例。例如，上海溶剂厂甲 醛蒸汽余热锅炉急冷塔中采用了螺旋槽纹管，使总传热系数提高6 0 ，相同压降 条件下，传热面积减小了3 0 ；益阳炼油厂、茂名炼油厂等单位采用横纹槽管 换热器，总传热系数较光管提高了8 5 ，同等传热量，可节省4 6 的传热面积； 缩放管换热器在大庆石化、金陵石化等单位投入使用，以益阳氮肥厂变换锅炉软 水加热器为例，采用缩放管后，换热面积减少了6 0 ；波节管换热器在国内也有 较广泛的应用；北京化工设计院和大连理工大学分别制造出烧结型和腐蚀型粗糙 表面多孔管，用于强化沸腾传热均取得了较好的效果。 总结前人的研究方法与成果，大多数学者用实验的方法，搭建流体流动传热 实验平台，针对各种清洁与强化技术作传热与阻力实验，处理实验数据分析流动 性能、传热性能和阻力特性。在理论方面，一些学者根据实验结果作理论研究计 算出传热经验公式和阻力系数关联式。相对来说从数值模拟的角度来研究强化技 术的较少。在本课题中，印以模拟的方法来研究转予组合式强化传热与在线自清 洁装置再结合实验数据来分析转于的传热性能，进而提高此项技术的理论基础。 14c f d 方法介绍及在相关领域的应用 41o f d 方法及常见c f d 软件 计算流体力学( c f d ) 是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物， 是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的 数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解 决各种实际问题。计算流体力学和相关的计算传热学、计算燃烧学的原理是用数 值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组， 北京化工大学硕士论文 求解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和 放大定量设计的有力工具。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验， 它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备， 在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。目前比较好的c f d 软件有：f l u e n t 、 c f x 、p h o e n i c s 、s t a r - c d 。其中f l u e n t 、c f x 应用最为广泛。 c f x 是由英国a e a 公司开发，是一种实用流体工程分析工具，用于模拟流 体流动、传热、多相流、化学反应、燃烧问题。其优势在于处理流动物理现象简 单而几何形状复杂的问题。其特点是：精确的数值方法；快速稳健的求解技术； 丰富的物理模型；旋转机械一体化解决方案。c f x 引进了各种公认的湍流模型， 例如：k e 模型，低雷诺数k e 模型，r n gk e 模型，代数雷诺应力模型，微分 雷诺应力模型，微分雷诺通量模型等。c f x 的多相流模型可用于分析工业生产 中出现的各种流动，包括单体颗粒运动模型、连续相及分散相的多相流模型和自 由表面的流动模型。c f x t a s c f l o w 在旋转机械c f d 计算方面具有很强的功 能，它可用于不可压缩流体、亚临超音速流体的流动，采用具有壁面函数的k e 模型、2 层模型和k a t o l a u n d e r 模型等湍流模型，传热包括对流传热、固体导热、 表面对表面辐射、g i b b s 辐射模型、多孔介质传热等。化学反应模型包括旋涡破 碎模型、具有动力学控制复杂正逆反应模型、f l a m e l e t 模型、n o x 和碳黑生成 模型、拉格朗日跟踪模型、反应颗粒模型和多组分流体模型。c f x t u r b o g r i d 是 一个用于快速生成旋转机械c f d 网格的交互式生成工具，很容易用来生成有效 的和高质的网格。 f l u e n t 是目前国际上比较流行的商用c f d 软件包，在美国的市场占有率 为6 0 。该通用c f d 软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂 流动。举凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。f l u e n t 软件采 用不同的离散格式和数值方法，f l u e n t 开发了适用于各个领域的流动模拟软 件，能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象。它采用了 多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而f l u e n t 能达到最佳的收敛速度 和求解精度。灵活的非结构化网格、基于解的自适应网格技术、丰富的物理模型、 先进的数值方法以及强大的前后处理功能，使f l u e n t 在转捩与湍流、传热与 相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动变形网格、噪声、材料加工、 燃料电池等方面有广泛应用。 8 第一章绪论 1 4 2c f d 方法的应用 广泛地说，c f d 数值模拟是一种发展前景十分广阔的研究方法，最早起源 于航空工程领域对机翼绕流特性的研究，利用c f d 技术可以高效、准确地计算和 描述一些复杂流动的流动细节，例如围绕飞行的飞机的大气流动。随后c f d 技术 被广泛应用于飞行器和喷气发动机的设计、大跨度桥梁、水利工程、土木工程、 化工等多个领域。 具体来看近年来c f d 研究方法主要是与实验结合用以流体机械的研究与设 计、管道的研究设计及飞行器设计、汽车领域的研究。 沈俊【2 8 】等人结合了几个c f d 在汽车外流场数值模拟和内燃机内部气流场数 值模拟的算例，介绍了c f d 软件在汽车领域的应用。 王世安【2 9 】等在文献中介绍了c f d 概况及其在飞机设计中的实际应用及其发 展趋势。 赵兴艳【3 0 l 等人介绍了c f d 方法在流体机械设计中的应用，编制了c f d 通用 程序，将其应用于流体机械的分析及设计，有较高的工程应用价值。对叶轮机械 内流的计算，早在上世纪4 0 年代末5 0 年代初，就有人采用数值计算方法来预报 离心压气机叶轮的无粘流动。但具有完备形态的内流数值模拟，一般认为始于吴 仲华教授的s 、s 2 两类相对流面理论后【3 1 1 ，叶轮机械内流无粘数值模拟才获得 迅速发展。至7 0 年代，无粘数值模拟已达到相当高的水平，并陆续应用于工业 设计中。7 0 年代中期以后，考虑真实流体粘性效应的数值模拟受到人们的重视。 自8 0 年代以来，离心泵叶轮内流的计算有了较大的发展。何有世【3 2 】等人结合了 离心泵叶轮内流计算具体实例讨论了近年来计算流体力学在泵叶轮内流计算中 的应用和发展趋势。c f d 方法对于流体机械的优化也起到了很大的作用，任涛 3 3 】 等人将c f d 技术应用到离心泵叶轮优化设计中，对叶轮两叶片间的流场作为研 究对象，分析流场，提出了叶轮的优化改型方案。 对于与本课题领域关系密切的是c f d 方法在换热器设计中的应用。 一直以来，人们对于如何提高管壳式换热器的强化传热效果进行了大量的研 究，c f d 方法作为一种研究流体流动、传热和化学反应的方法，可以弥补试验 耗资大、周期性长等缺点，运用c f d 技术对管壳式换热器的壳侧和管侧流场进 行计算机模拟，可以对其他方法难以掌握的换热器内部瞬态的温度场和速度场有 所了解，利于换热器的机理分析和结构优化。利用模拟软件进行模拟，使c f d 技 术与实验研究相辅相成，以便更好地进行换热器流体流动的分析和设计优 化。c f d 技术作为一种辅助手段，有益于换热器的优化设计和评估性能优劣， 因此将来换热器的发展方向是将多种强化传热技术与计算机辅助设计手段结合 9 北京化工大学硕士论文 使用【3 4 j 。 随着管内插件这项提高换热器效率的技术的发展成熟，c f d 方法越来越多 地参与到换热管内插件的研究当中，与实验相结合，可以便捷地考察内插件对于 换热效率的影响，更进一步可以作为决定换热器设计的重要因素之一。现已有很 多成功应用c f d 方法分析管内插件的例子。翟均霞【3 5 】等人以一种带内插件强化 传热结构的炉管为例，用c f x 进行了管内流体的速度分布、压降分析，得到了 详细的流体特性。 张琳p 6 j 等对一种典型的换热管内插件自转扭带进行了管内流体的运 动分析，提出将自转扭带等效虚拟与静止扭带的思路。用f l u e n t 软件对管内 流体进行了特性分析，比较了不同螺距扭带不同状态下的强化传热影响，其研究 成果具有很大的参考价值。甘家林【3 8 】等对另一种可以在线除垢的内插件管内 微型液轮机进行了紊流场分析，研究微型液轮机的转动特性。 另外，还有许多各种异型管【3 9 书j 的研究也应用了c f d 数值模拟的方法。在 此就不一一赘述。 虽然计算流体力学现在应用越来越广泛，但是还是有许多不足之处。计算流 体力学、理论流体力学、实验流体力学是研究流动的三种主要手段。由于流体的 基本方程中速度、温度、压力耦合，因此难以获得解析解。特别是在管壳式换热 器中流体流动一般为湍流，更是加大了计算难度，且实际应用的管壳式换热器中 管的数量大，获得解析解几乎是不可能的。所以还是必须依靠实验来作为基本 研究方法，不能纯粹进行数值研究。而试验结果受实验设备、操作水平等诸多因 素影响，且费用相对较高。现在由于计算机技术的飞速发展，以个人计算机为基 础的计算流体动力学分析软件获得了迅猛发展。它的长处是适应性强、应用面广， 可以选择不同流动参数进行各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较，有较 大的灵活性。而且它能给出详细和完整的资料，可视性强。但技术艰深的理论背 景与流体力学问题的复杂多变阻碍了它向工业界进一步推广。一般工程技术人员 很难较深入地了解这门学科软件，使用起来也不容易，因为总有不少条件、参数 要根据具体问题以及运算过程随时做出修改、调整，若不熟悉方法和程序，往往 会束手无策。此外，前、后处理也显得较为棘手，这在某种程度上妨碍了其进一 步扩大实际应用范围。而且流动机理不明的问题，数值工作无法，进行数值工作 自身仍然有许多理论问题有待解决；离散化不仅引起定量的误差，同时有可能也 会引起定性的误差，所以数值分析研究应该与实验的验证相结合。 1 0 第一章绪论 1 5 本文研究内容 尽管前面述及的各种强化传热技术都具有强化传热效果或者一定的防垢除 垢功能，但基本上未能大规模地应用。分析其原因，都还是受到实际应用条件上 的一些限制，或者技术本身存在某一方面或某些方面的不足。例如：对于易结垢 的换热设备，通过改变传热面结构或管内放入静态插入物的方式虽然可以强化其 传热效果，但通常会导致传热管局部更易结垢，并且结垢后难于清洗，或者插入 物损坏后无法取出造成换热管堵塞。对于某些管内放入动态插入物，由于材质上 的缺陷会磨损管壁及自身。 本文在前人研究的基础上，主要借助c f d 方法从数值分析的角度，揭示本 研究的转子组合式强化传热装置的工作原理，结合实验研究，对内置转子组合式 强化传热装置管程扰流的流动状态、强化传热性能及机理、管程组合转子结构参 数对其性能的影响及改进等内容进行研究。 第二章转 m 式强化传热装置参教化模型的建立 第二章转子组合式强化传热装置参数化模型的建立 2 1 转子组合式强化传热与在线自清洁装置的特点与结构 2 1 1 特点与结构 本研究中的转子组合式强化传热装置“洁能芯”，属于管内扰流无源强 化传热技术，已取得了专利保护。该装置适用于量大面积广的管壳式换热器，是 一种新型的强化传热装置，其特殊材料成型的精密转子具有在线自动清除污垢和 强化传热双重功能。 精密转子的结构示意图如图2 ，1 所示。 圜2 - 1 转子结构示意图 f i g 2 l s t r u c t u r eo f t u b es i d ea s s e m b l e dr o t o r s 其安装示意图如图2 - 2 ： 斛“ _ 拽搀督i * 圈2 - 2 安装示意削 f i g 2 - 2 1 n s t a l l a l i o n o f t u b es i d ea s s e m b l e dr o t o l s 转子组合式强化传热装置由管端挂件、转子、限位元件、支撑轴和滤网罩部 件构成。两管端挂件分别承插固定在传热管的两端；转子的外表有螺棱，转子上 渗 北京化t 大学碗论空 有中心孔：支撑轴穿过转子的中心孔固定在两定架上。在换热器传热管内放置多 个转子，转子的总长度略小于传热管长度。转子的外径小于传热管的内径，转子 的中心孔直径略大于支撑轴的外径，支撑轴的中心线与传热管的中心线基本重 合。转子在流体介质的作用下不需要外部动力即能自如转动。固定架的侧壁和轴 向有多个进流孔，以使得换热器管程的介质顺畅地流入传热管内，进流孔的总面 积基本与传热管的内截面面积相等。 下图2 3 是转子组合式强化传热装置管程内组件实物图： 圈2 - 3 组合式强化传热装置实物图 f i g 2 - 3 e n t i t y f e a t u r e s o f t u b es i d ea s s e m b l e dr o t o r s 转子是装置的核心部件，在流体的冲击作用下自动悬浮于换热管中心，并且 当流场稳定时，可将管内转子看作整体同步转动，遵循阻力最小原理。转于与流 体相互作用，增强对流动边界层的剪切作用从而使之变薄，达到破坏污垢生长的 流速条件和强化传热的目的。根据流速大小和转子导程的不同，选择转子组合的 数目，防止轴向力过度累积。柔性支撑轴起支撑组合转子的作用，一旦转子在水 q j 运行起来由于转子材料密度仅稍大于水的密度，再加上转子旋转引起的升力， 转子具有自动对中的特点，从而避免对支撑轴的磨损。限位元件在装配时与转子 一起穿在柔性支撑轴上，随后将其与支撑轴固接，以达到对转子进行分组的目的。 每一组转于累积的轴向力都作用在与其相邻的限位元件上，进而作用在支撑轴 上。因此，支撑轴承受沿轴向间隔分布的集中载荷，且载荷的大小随着流速的波 动而变化，这是影响装置整体寿命的关键所在。在安装时应使得管端挂件承受 一定的预紧力，保证支撑轴的对中程度。在一些水质特差的工业应用场合中还 会在管段挂件上增设滤网罩，以便过滤掉一些尺度较大的杂质。 转子的工业试验已证明该装置强化传热与除垢的效果非常明显，并且该装置 的可无限延长性使它适用于任何长度的换热管。 2 1 2 强化传热及自清洁原理 转子组合式强化传热装置是通过改变介质流动状念来提高换热效果，其原理 是：形成旋转流：破坏边界层； 中心流体与管壁流体产生置换作用；产 生二次流等。在传热管内安装洁能芯装置后，其在流动介质的冲击下旋转，导致 流场由层流状态变为非衰减旋转流动为主的复杂运动。这种非衰减旋转流动有利 第二章转子组合式强化传热装置参数化模型的建立 于改善传热管介质流场的内部热交换，而洁能芯的旋转运动导致边界层发生破 坏，大大减薄了边界层的厚度，提高了传热系数。 洁能芯装置的自清洁原理是增加流体的湍流度以提高污垢的剥离速率和减 少污垢的沉积速率。洁能芯在传热管内迅速转动时对管壁的污垢产生3 种作用： ( 1 ) 转子边缘对污垢的刮擦作用；( 2 ) 介质通过转子与管壁之间的间隙时高速流对 管壁的冲刷作用；( 3 ) 转子对沉积物的推动作用。由此三种作用，有效地