換熱器管程組合轉(zhuǎn)子強化傳熱研究與結(jié)構(gòu)改進.pdf

1、管殼換熱器廣泛應(yīng)用于過程工業(yè)眾多領(lǐng)域，而其自身的結(jié)垢問題一直沒能得到有效地解決，從而造成能源的巨大浪費。管程組合轉(zhuǎn)子強化技術(shù)具有強化傳熱與在線自動清洗功能，其靈活的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計能夠滿足各種管殼換熱器的工況及裝配要求，為管殼式換熱設(shè)備污垢問題的解決提供了方案。因此，對管程組合轉(zhuǎn)子的性能、作用機理和結(jié)構(gòu)改進展開研究，具有重要的工程應(yīng)用價值。本文借助實驗手段，研究管程組合轉(zhuǎn)子的擾流特性、傳熱及阻力特性，進而分析其作用機理并提出結(jié)構(gòu)改進方案。

2、 通過可視化實驗、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測試和PIV流場測試，對管程組合轉(zhuǎn)子擾流的冷態(tài)流場特性進行了從定性到定量地分析。理論推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速公式，認為影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的因素包括幾何、質(zhì)量屬性（流體和轉(zhuǎn)子的密度）和粘性因素。提出在管程存在無旋流，并通過PIV測試結(jié)果得到了初步驗證。進而分析認為，管程的軸向速度分布與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)相結(jié)合，決定了流體的流動狀態(tài)分布，如徑向混流、湍流強度、渦量等。將相鄰兩組轉(zhuǎn)子之間的空隙定為滯流區(qū)，并對滯流區(qū)的流動特性進行了詳細

3、分析?？偨Y(jié)冷態(tài)實驗，可得出如下結(jié)論：（1）管程組合轉(zhuǎn)子對流體造成不同程度、甚至不同方向的旋流，從而強化了流體層間剪切效應(yīng)，促進流體的徑向混合和邊界層剪切變薄；（2）滯流區(qū)的流動狀態(tài)復(fù)雜無序，湍流強度更大；（3）管程局部有縱向渦產(chǎn)生。管程組合轉(zhuǎn)子擾流的流動特性有利于傳熱強化。 通過傳熱及阻力實驗，對特征長度的選取原則進行了討論和驗證。結(jié)合各無量綱特征數(shù)的物理意義和實驗數(shù)據(jù)，認為對于管程動態(tài)擾流技術(shù)，應(yīng)選取換熱管內(nèi)徑進行實驗數(shù)據(jù)的處

4、理和計算，得到的結(jié)果能更準確地表征其實際傳熱強化程度及綜合性能。基于這一原則，對管程組合轉(zhuǎn)子的傳熱及阻力特性進行實驗研究。以油為工質(zhì)的實驗表明：在Re=500-8000的層流區(qū)和轉(zhuǎn)捩區(qū)，管程組合轉(zhuǎn)子可不同程度地提高傳熱性能，同時也不可避免地增大阻力損失；增大轉(zhuǎn)子外徑對傳熱強化的貢獻微弱，阻力系數(shù)卻明顯增大；增大轉(zhuǎn)子螺旋角度對傳熱強化的貢獻顯著，同時阻力也有較大增長；螺旋角度最大的一種轉(zhuǎn)子實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)斷層，分析是轉(zhuǎn)子運動狀態(tài)突變所致；其它

5、4種規(guī)格的轉(zhuǎn)子實驗數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)斷層，很可能是由于其導(dǎo)程較大，轉(zhuǎn)子一直處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)；性能綜合評價表明，導(dǎo)程最小的轉(zhuǎn)子具有最佳綜合性能?？梢?，強化層流對流傳熱，主要是要增強管程流體的徑向混合。以水為工質(zhì)的實驗表明：在Re=104-105的旺盛湍流區(qū)，管程組合轉(zhuǎn)子可不同程度地提高傳熱性能，同時也不可避免地增加阻力損失；增大轉(zhuǎn)子外徑對傳熱強化的貢獻明顯，而阻力系數(shù)略有增大；增大轉(zhuǎn)子螺旋角度對傳熱強化的貢獻微弱，卻造成阻力的較大增長；性能綜合評價

6、表明，導(dǎo)程較大、外徑較大的轉(zhuǎn)子具有最佳綜合性能?？梢?，強化湍流對流傳熱，主要是要加強對管程流體流動邊界層和熱邊界層的擾動。因此，應(yīng)根據(jù)流體的流動狀態(tài)（層流、過渡流或湍流）選擇轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)。對于火力發(fā)電廠的凝汽器，其流動多處于旺盛湍流區(qū)，在安裝條件允許的情況下，應(yīng)盡可能選擇外徑較大、螺旋角度較小的轉(zhuǎn)子。 針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子在阻垢性能、擾流特性、傳熱及阻力特性方面存在的一些問題，提出鏤空型轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)片式轉(zhuǎn)子和邊界層剪切型轉(zhuǎn)子三種結(jié)構(gòu)

7、改進方案。對前兩種方案進行了可視化實驗和以水為工質(zhì)的傳熱及阻力實驗驗證?？梢暬瘜嶒灡砻鳎虹U空型轉(zhuǎn)子的硬質(zhì)顆粒污垢抵抗能力有很大程度提高，但仍不能滿足顆粒濃度大或長時間運行的工況要求；轉(zhuǎn)片式轉(zhuǎn)子獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，徹底避免了硬質(zhì)顆粒污垢堵塞，可滿足阻垢性能要求。傳熱及阻力實驗表明：鏤空型結(jié)構(gòu)雖然可以一定程度降低阻力，但其傳熱性能也由于流體向鏤空中心的匯聚效應(yīng)而下降，其綜合性能甚至不如傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)片式轉(zhuǎn)子在降低阻力的同時，保持傳熱性能不下降