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内置旋转扭带强化传热机理及清洗动力学研究
中文名称: 内置旋转扭带强化传热机理及清洗动力学研究
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论文编号: 3121694收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Investigation on Enhanced Heat Transfer Mechanism and Cleaning Dynamics of the Rotating Twisted Tape
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 兵器发射理论与技术
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 旋转扭带 强化传热 在线清洗 除垢防垢 对流换热 旋流 换热器
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论文简介:换热设备的低效率和污垢沉积问题一直是一个世界性的难题。研究开发的旋转清洗扭带技术具有强化传热和污垢在线清洗的双重功效,用旋转扭带制作和改造的换热器,能够长期保持高效率运行。 本文针对旋转扭带的强化传热机理和清洗动力学,开展了许多研究工作,主要包括以下几个方面的内容: (1)内置旋转扭带管流动和湍流特性实验研究 应用激光测试技术对内置旋转扭带管和普通光管内流体的流动进行了对比实验研究。研究结果表明:内置旋转扭带管内流体的轴向速度场、切向速度场、轴向湍流度和切向湍流度的分布规律与光管相比有着明显的不同。内置旋转扭带管内近管壁区流体的轴向速度明显比光管的大;内置旋转扭带管内流体有着明显的切向运动,而光管内流体只有随机的切向运动;内置旋转扭带管内流体的湍流强度场比光管的大。依据内置旋转扭带管和光管速度场和湍流强度场的实验结果,对旋转扭带强化传热的机理进行了初步分析。 (2)内置扭带管流动与传热数值模拟 对内置旋转扭带管内流体的流动进行了分析,根据内置旋转扭带管流体的旋流场特点,提出了旋转扭带虚拟等效静螺距的概念,即将流体在内置旋转扭带管内的螺旋运动虚拟等效为在螺距增大的静止扭带管内的螺旋运动。 建立了内置螺旋扭带管流动和传热三维模型。应用能充分反映旋流场流动特性的RNG κ-ε模型对内置旋转扭带管、内置静止扭带管、内置旋转扭带虚拟等效静止扭带管和光管的流动和传热进行了数值模拟。 数值模拟研究结果表明:内置扭带管内流体的流动是复杂的三维螺旋流动,其速度场和湍流强度场不同于普通光管;螺旋扭带的扭率对流体流动的压力降和传热有很大的影响;模拟发现内置旋转扭带管内有二次流流动,而内置旋转扭带虚拟为螺距增大的静止扭带后,管内没有发现二次流动;内置旋转扭带虚拟等效为螺距增大的静止扭带后,二者的传热特性和阻力特性并非完全相同。速度场和湍流强度场的数值模拟结果与激光测试进行了比较,二者非常吻合。 (3)内置旋转扭带管传热强化机理研究 在内置旋转扭带管流场的激光测试和数值模拟研究工作的基础上,提出旋转扭带强化传热的机理有:⑴换热管的当量直径减少效应强化;⑵近管壁区域流速加大效应强化;⑶螺旋线流动流速加大效应强化:⑷二次流流动流速加大效应强化。对螺旋扭带的这些强化传热机理进行了定量的理论分析研究。 建立了内置扭带管湍流和层流的努塞尔数Nu和摩擦阻力△P<,f>),预测关联式,对不同工况下传热强化和阻力增加的主要控制机理进行了探讨。研究结果表明:当y≥5时,当量直径减小效应和管壁区域流速加大效应是传热强化和摩擦阻力增加的主要控制机理;而当y<5时,螺旋线流动流速加大效应是强化传热和摩擦阻力增加的主要控制机理。二次流流速加大效应对强化传热的贡献与其它三种机理相比,相对较弱,只有在扭率y≤1时,对强化传热的贡献份额才比较大。 对内置旋转扭带管湍流情况的传热和阻力降特性进行了实验研究,实验结果和理论分析预测结果进行了比较,两者吻合较好。 (4)旋转扭带自转清洗流体动力学理论研究 在内置旋转扭带管内速度场激光测试和数值模拟研究工作的基础上,建立了旋转扭带管内切向速度场的计算模型。通过对内置旋转扭带管内流体的动力学分析,建立了旋转扭带在线自动清洗污垢的清洗动力矩理论计算式,得出的清洗动力矩理论计算式在扭带的结构设计、扭带的应用设计、扭带的转速特性和扭带的磨损寿命等方面的工程应用提供了积极重要的指导作用。 为了提高低流速换热器旋转扭带的清洗动力矩,提出管口轴承旋流强化和斜齿强化两种方法,并对斜齿强化的清洗动力矩和管口轴承旋流强化的清洗动力矩进行进行了动力学分析,得出两种强化清洗方法的清洗动力矩理论计算公式。 (5)旋转扭带清洗动力矩实验研究 对旋转光滑扭带和斜齿强化扭带的清洗动力学特性进行了实验研究,研究结果表明:扭带自转的启动很容易,流体入口流速为0.3m/s时,扭带就能非常平稳地运转,而且扭带的自转转速随着管内流体流速的增加而增加。 对不同结构齿型扭带的清洗动力矩、自转速度、传热特性和流动阻力特性进行了实验研究。研究结果表明:光滑扭带上增加斜齿后,能较大幅度地提高扭带的清洗动力矩和传热特性,但阻力降也会大幅度增加。 (6)旋转清洗扭带强化传热技术工业应用研究 在石化厂对旋转扭带清洗污垢和强化传热的能力进行了工业应用考核实验研究。在相同的运行工况下,对装有旋转塑料螺旋扭带的水冷器和普通光管水冷器的污垢粘附速率、管壁磨蚀速率、动态污垢热阻进行了工业应用对比实验研究。 工业应用研究结果表明:内置扭带管的防垢、除垢、清洗效果非常显著,污垢平均粘附速率只有普通光管平均的54%左右;动态污垢热阻平均降低了30%左右。塑料扭带对管壁的磨损微乎其微,解决了金属扭带对管壁的磨损问题,提高了旋转扭带清洗技术工程应用的可靠性。
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