组合转子强化管内传热传质及混合特性研究

发布时间：2020-08-06 06:42

【摘要】：管壳式换热器作为工业生产中的重要换热设备,广泛应用于石化、电力、冶金等领域,其换热性能的优劣直接影响到能源的使用效率。然而在实际应用过程中,换热器换热强度较低,换热表面结垢严重,造成了大量的能源浪费,给相关企业带来了巨大的损失。对此,国内外学者相继开发了如翅片管、波纹管、螺旋线圈、涡流发生器、螺旋扭带、组合转子等诸多的强化传热技术,以期提高换热设备的换热能力,抑制污垢沉积,实现节能降耗。其中,组合转子因兼具强化传热及在线自清洁的双重特性而拥有十分广阔的应用前景,但由于对其转动及扰流等基础特性认识不清以及对其强化传热及抗垢特性研究不足,其应用受到了极大的限制。本文综述了国内外各强化传热技术的研究进展,指出了各强化传热技术在抗污垢方面研究的不足;然后以组合转子为研究对象,采用实验及数值模拟的方法对其转动及扰流等基础特性和强化传热及抗垢特性开展了深入的研究,以期为组合转子强化传热及自清洁技术的工业应用奠定理论和技术基础。此外,本文结合组合转子在管壳式换热器强化传热及自清洁方面的独特优势,创造性地提出了将其应用于管式光生物反应器对微藻进行培养的方案,同时基于此设想开展了组合转子优化管式光生物反应器性能的初步研究,以期改善管式反应器固有的混合传质性能差、微藻附壁生长等问题,从而提高微藻的培养效率。本文主要研究工作如下:(1)组合转子基础特性研究首先介绍了转速测量的原理和方法,然后基于周期法的测速原理开发了组合转子转速测定装置,搭建了相应的转速测定实验台,相继考察了转子在管内所处轴向位置、管内流量、转子的导程、转子的外径以及转子的叶片数等因素对转子转速的影响规律,通过非线性曲面拟合得到了各类转子转速的实验关联式;接下来介绍了 PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图像测速)技术及其工作原理,然后搭建了 PIV实验台,利用PIV技术对组合转子扰流作用下的管内的流场进行了实验研究,分别获得了横截面和纵截面内的速度场,分析了管内的湍流强度和径向速度变化情况,对比了转子的导程和叶片数对流场的影响,最后基于管内的流场情况对组合转子强化管内传热传质及混合的机理进行了总结。(2)组合转子强化传热及抗垢特性研究首先利用Gnielinski和Filonenko经验公式对强化传热综合性能实验台进行了校核,然后利用该实验台对新的孔型、圆槽型及切口型螺旋两叶片转子开展了湍流区的强化传热及阻力特性实验,分别获得了各新型转子的努塞尔数Nu、阻力系数f及综合评价因子PEC与雷诺数Re间的关联关系,分析了新型螺旋两叶片转子的综合强化传热性能;接下来对数值模拟方法尤其是湍流数值模拟方法进行了介绍,然后利用ANSYS FLUENT分别模拟了光管及螺旋两叶片转子管内CaC03析晶污垢的沉积过程,验证了模拟方法的准确性,得到了螺旋两叶片转子管内污垢的沉积率、剥蚀率、净存速率及污垢热阻随时间的变化关系,揭示了螺旋叶片转子的强化传质及抗垢特性。(3)组合转子在微藻培养中的应用研究首先利用ANSYS FLUENT分别对光管及内置螺旋叶片转子管内的流场和微藻细胞的运动轨迹进行了数值模拟,分析了内置螺旋叶片转子管内的混合情况以及微藻细胞的受光特性;然后搭建了管式光生物反应器实验装置,开展了小球藻的对比培养实验,探究了螺旋叶片转子对管式光生物反应器培养小球藻的影响。综上,本文对组合转子的转动及扰流等基础特性、组合转子的强化传热及抗垢特性进行了较为系统地研究,旨在为组合转子强化传热及自清洁技术的工业推广应用提供理论和技术参考;同时,本文也对组合转子用于微藻培养开展了初步的研究,以期优化管式光生物反应器的性能,提高微藻培养效率,从而为实现微藻的规模化培养以及微藻生物质能的开发及利用提供新的方法和可能。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK172;TK124
【图文】：

波纹管,螺旋线圈

据获得了用来预测波纹管内的努塞尔数和两相阻力系数实验关联式。逡逑１．２．３．３螺旋线圈逡逑螺旋线圈，又称螺旋弹簧，如图１－３所示，是指在一根芯轴上将具有特定截面的逡逑金属丝以一定的螺距绕制成螺旋状的一类扰流元件，螺旋线圈能够诱导流体产生旋逡逑５逡逑

螺旋线圈

Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｃｏｉｌｅｄ邋ｗｉｒｅ／ｗｉｒｅ邋ｃｏｉｌ逡逑Ｋｅｋｌｉｋｃｉｏｇｌｕ等［３１］实验研宄了内置等边三角形截面的螺旋线圈圆管内的流动与传逡逑热性能，螺旋线圈的螺距直径比Ｐ／Ｄ＝ｌ分别为１，２，３，为了能够研究因层流边界层扰逡逑动引起的强化传热，螺旋线圈在安装时与管的内表面分隔开１－２＿的距离ｓ。结果表明，相比于光管，螺旋线圈能引起较高的传热速率和阻力系数的增大，当雷诺数为逡逑３４２９，Ｐ／Ｄ＝ｌ，ｓ＝ｌ时，热性能达到最优的１．８２。逡逑0１１１１＾等［３２］实验研究了圆管内置等边三角形截面的螺旋线圈在湍流区下的传热及逡逑压降行为。结果表明，螺旋线圈的使用导致传热和压降均增大很多，努塞尔数随着线逡逑圈厚度增大而增大，随着螺距直径比Ｐ／Ｄ的减小而增大，当螺距直径比Ｐ／Ｄ＝ｌ，三角逡逑形边长与管径比ａ／Ｄ＝０．０８９２，雷诺数为３８５８时，最高传热强度达到３６．５％。逡逑Ｐｒｏｍｖｏｎｇ＃３１实验研宄了圆管内置方形截面螺旋线圈扰流元件的传热和湍流阻力逡逑特性，除了与光管进行结果比较之外，还与典型的圆截面线圈进行了比较。结果表明，逡逑方形截面线圈的传热性能和阻力均比光管大很多，在相同条件下方形截面线圈比圆截逡逑面线圈传热性能更优，最后给出了评价两种线圈真实收益的性能评价因子。逡逑Ｓａｎ等［３４］测定了内置螺旋线圈圆管内气流和水流的传热和压降数据。结果表明，逡逑

涡流发生器

传热系数提高８５％，压降增大４７５％。逡逑１．２．３．４涡流发生器逡逑涡流发生器，一般为纵向涡发生器，如图１－４所示，指的是在管内加装一些特殊逡逑的结构，诱导流体在流过该结构时产生二次涡流，促进流体的重新分布与混合，从而逡逑实现流体的强化换热。逡逑图１－４涡流发生器逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｖｏｒｔｅｘ邋ｇｅｎｅｒａｔｏｒ逡逑Ｚｈｅｎｇ等［３６］对内置锥形条状涡流发生器的圆管进行了灵敏度分析和多目标优化，逡逑设计参数包括雷诺数，锥形条填充比Ｃ和节距Ｐ，目标函数为比努塞尔数和比阻力系逡逑数，设计的目标就是寻求最优的结构参数以使得在引起最小压差的情况下获得最高的逡逑传热强化，优化时使用了邋ＲＳＭ和ＮＳＧＡ－ＩＩ两种方法。最后获得的结果为：当Ｒｅ＝１４６８，逡逑Ｃ＝０．３５，邋Ｐ＝３．９７时，比努塞尔数和比阻力系数分别为６．５６和７．０７。逡逑Ｄｅｓｈｍｕｋｈ等［３７］对内置弯曲三角翼涡流发生器的圆管的强化传热性能进行了实验逡逑研究。结果为：相同雷诺数下有无插入件的努塞尔数之比Ｎｕａ／Ｎｕｓ的变化范围为５－１５，逡逑相同栗功和相同传热表面条件下的传热性能之比Ｎｕａ／Ｎｕｅ的变化范围为１－６。逡逑Ｌｅｉ等［３８］采用数值计算的方法研究了圆管内置穿孔三角翼涡流发生器传热及水力逡逑特性

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