發(fā)布時間：2020-08-06 06:42

【摘要】：管殼式換熱器作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要換熱設(shè)備,廣泛應用于石化、電力、冶金等領(lǐng)域,其換熱性能的優(yōu)劣直接影響到能源的使用效率。然而在實際應用過程中,換熱器換熱強度較低,換熱表面結(jié)垢嚴重,造成了大量的能源浪費,給相關(guān)企業(yè)帶來了巨大的損失。對此,國內(nèi)外學者相繼開發(fā)了如翅片管、波紋管、螺旋線圈、渦流發(fā)生器、螺旋扭帶、組合轉(zhuǎn)子等諸多的強化傳熱技術(shù),以期提高換熱設(shè)備的換熱能力,抑制污垢沉積,實現(xiàn)節(jié)能降耗。其中,組合轉(zhuǎn)子因兼具強化傳熱及在線自清潔的雙重特性而擁有十分廣闊的應用前景,但由于對其轉(zhuǎn)動及擾流等基礎(chǔ)特性認識不清以及對其強化傳熱及抗垢特性研究不足,其應用受到了極大的限制。本文綜述了國內(nèi)外各強化傳熱技術(shù)的研究進展,指出了各強化傳熱技術(shù)在抗污垢方面研究的不足;然后以組合轉(zhuǎn)子為研究對象,采用實驗及數(shù)值模擬的方法對其轉(zhuǎn)動及擾流等基礎(chǔ)特性和強化傳熱及抗垢特性開展了深入的研究,以期為組合轉(zhuǎn)子強化傳熱及自清潔技術(shù)的工業(yè)應用奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。此外,本文結(jié)合組合轉(zhuǎn)子在管殼式換熱器強化傳熱及自清潔方面的獨特優(yōu)勢,創(chuàng)造性地提出了將其應用于管式光生物反應器對微藻進行培養(yǎng)的方案,同時基于此設(shè)想開展了組合轉(zhuǎn)子優(yōu)化管式光生物反應器性能的初步研究,以期改善管式反應器固有的混合傳質(zhì)性能差、微藻附壁生長等問題,從而提高微藻的培養(yǎng)效率。本文主要研究工作如下:(1)組合轉(zhuǎn)子基礎(chǔ)特性研究首先介紹了轉(zhuǎn)速測量的原理和方法,然后基于周期法的測速原理開發(fā)了組合轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測定裝置,搭建了相應的轉(zhuǎn)速測定實驗臺,相繼考察了轉(zhuǎn)子在管內(nèi)所處軸向位置、管內(nèi)流量、轉(zhuǎn)子的導程、轉(zhuǎn)子的外徑以及轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)等因素對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律,通過非線性曲面擬合得到了各類轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的實驗關(guān)聯(lián)式;接下來介紹了 PIV(Particle Image Velocimetry,粒子圖像測速)技術(shù)及其工作原理,然后搭建了 PIV實驗臺,利用PIV技術(shù)對組合轉(zhuǎn)子擾流作用下的管內(nèi)的流場進行了實驗研究,分別獲得了橫截面和縱截面內(nèi)的速度場,分析了管內(nèi)的湍流強度和徑向速度變化情況,對比了轉(zhuǎn)子的導程和葉片數(shù)對流場的影響,最后基于管內(nèi)的流場情況對組合轉(zhuǎn)子強化管內(nèi)傳熱傳質(zhì)及混合的機理進行了總結(jié)。(2)組合轉(zhuǎn)子強化傳熱及抗垢特性研究首先利用Gnielinski和Filonenko經(jīng)驗公式對強化傳熱綜合性能實驗臺進行了校核,然后利用該實驗臺對新的孔型、圓槽型及切口型螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子開展了湍流區(qū)的強化傳熱及阻力特性實驗,分別獲得了各新型轉(zhuǎn)子的努塞爾數(shù)Nu、阻力系數(shù)f及綜合評價因子PEC與雷諾數(shù)Re間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,分析了新型螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的綜合強化傳熱性能;接下來對數(shù)值模擬方法尤其是湍流數(shù)值模擬方法進行了介紹,然后利用ANSYS FLUENT分別模擬了光管及螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子管內(nèi)CaC03析晶污垢的沉積過程,驗證了模擬方法的準確性,得到了螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子管內(nèi)污垢的沉積率、剝蝕率、凈存速率及污垢熱阻隨時間的變化關(guān)系,揭示了螺旋葉片轉(zhuǎn)子的強化傳質(zhì)及抗垢特性。(3)組合轉(zhuǎn)子在微藻培養(yǎng)中的應用研究首先利用ANSYS FLUENT分別對光管及內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子管內(nèi)的流場和微藻細胞的運動軌跡進行了數(shù)值模擬,分析了內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子管內(nèi)的混合情況以及微藻細胞的受光特性;然后搭建了管式光生物反應器實驗裝置,開展了小球藻的對比培養(yǎng)實驗,探究了螺旋葉片轉(zhuǎn)子對管式光生物反應器培養(yǎng)小球藻的影響。綜上,本文對組合轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動及擾流等基礎(chǔ)特性、組合轉(zhuǎn)子的強化傳熱及抗垢特性進行了較為系統(tǒng)地研究,旨在為組合轉(zhuǎn)子強化傳熱及自清潔技術(shù)的工業(yè)推廣應用提供理論和技術(shù)參考;同時,本文也對組合轉(zhuǎn)子用于微藻培養(yǎng)開展了初步的研究,以期優(yōu)化管式光生物反應器的性能,提高微藻培養(yǎng)效率,從而為實現(xiàn)微藻的規(guī)模化培養(yǎng)以及微藻生物質(zhì)能的開發(fā)及利用提供新的方法和可能。
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK172;TK124
【圖文】：

據(jù)獲得了用來預測波紋管內(nèi)的努塞爾數(shù)和兩相阻力系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式。逡逑１．２．３．３螺旋線圈逡逑螺旋線圈，又稱螺旋彈簧，如圖１－３所示，是指在一根芯軸上將具有特定截面的逡逑金屬絲以一定的螺距繞制成螺旋狀的一類擾流元件，螺旋線圈能夠誘導流體產(chǎn)生旋逡逑５逡逑

Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｃｏｉｌｅｄ邋ｗｉｒｅ／ｗｉｒｅ邋ｃｏｉｌ逡逑Ｋｅｋｌｉｋｃｉｏｇｌｕ等［３１］實驗研宄了內(nèi)置等邊三角形截面的螺旋線圈圓管內(nèi)的流動與傳逡逑熱性能，螺旋線圈的螺距直徑比Ｐ／Ｄ＝ｌ分別為１，２，３，為了能夠研究因?qū)恿鬟吔鐚訑_逡逑動引起的強化傳熱，螺旋線圈在安裝時與管的內(nèi)表面分隔開１－２＿的距離ｓ。結(jié)果表明，相比于光管，螺旋線圈能引起較高的傳熱速率和阻力系數(shù)的增大，當雷諾數(shù)為逡逑３４２９，Ｐ／Ｄ＝ｌ，ｓ＝ｌ時，熱性能達到最優(yōu)的１．８２。逡逑0１１１１＾等［３２］實驗研究了圓管內(nèi)置等邊三角形截面的螺旋線圈在湍流區(qū)下的傳熱及逡逑壓降行為。結(jié)果表明，螺旋線圈的使用導致傳熱和壓降均增大很多，努塞爾數(shù)隨著線逡逑圈厚度增大而增大，隨著螺距直徑比Ｐ／Ｄ的減小而增大，當螺距直徑比Ｐ／Ｄ＝ｌ，三角逡逑形邊長與管徑比ａ／Ｄ＝０．０８９２，雷諾數(shù)為３８５８時，最高傳熱強度達到３６．５％。逡逑Ｐｒｏｍｖｏｎｇ＃３１實驗研宄了圓管內(nèi)置方形截面螺旋線圈擾流元件的傳熱和湍流阻力逡逑特性，除了與光管進行結(jié)果比較之外，還與典型的圓截面線圈進行了比較。結(jié)果表明，逡逑方形截面線圈的傳熱性能和阻力均比光管大很多，在相同條件下方形截面線圈比圓截逡逑面線圈傳熱性能更優(yōu)，最后給出了評價兩種線圈真實收益的性能評價因子。逡逑Ｓａｎ等［３４］測定了內(nèi)置螺旋線圈圓管內(nèi)氣流和水流的傳熱和壓降數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，逡逑

傳熱系數(shù)提高８５％，壓降增大４７５％。逡逑１．２．３．４渦流發(fā)生器逡逑渦流發(fā)生器，一般為縱向渦發(fā)生器，如圖１－４所示，指的是在管內(nèi)加裝一些特殊逡逑的結(jié)構(gòu)，誘導流體在流過該結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生二次渦流，促進流體的重新分布與混合，從而逡逑實現(xiàn)流體的強化換熱。逡逑圖１－４渦流發(fā)生器逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｖｏｒｔｅｘ邋ｇｅｎｅｒａｔｏｒ逡逑Ｚｈｅｎｇ等［３６］對內(nèi)置錐形條狀渦流發(fā)生器的圓管進行了靈敏度分析和多目標優(yōu)化，逡逑設(shè)計參數(shù)包括雷諾數(shù)，錐形條填充比Ｃ和節(jié)距Ｐ，目標函數(shù)為比努塞爾數(shù)和比阻力系逡逑數(shù)，設(shè)計的目標就是尋求最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以使得在引起最小壓差的情況下獲得最高的逡逑傳熱強化，優(yōu)化時使用了邋ＲＳＭ和ＮＳＧＡ－ＩＩ兩種方法。最后獲得的結(jié)果為：當Ｒｅ＝１４６８，逡逑Ｃ＝０．３５，邋Ｐ＝３．９７時，比努塞爾數(shù)和比阻力系數(shù)分別為６．５６和７．０７。逡逑Ｄｅｓｈｍｕｋｈ等［３７］對內(nèi)置彎曲三角翼渦流發(fā)生器的圓管的強化傳熱性能進行了實驗逡逑研究。結(jié)果為：相同雷諾數(shù)下有無插入件的努塞爾數(shù)之比Ｎｕａ／Ｎｕｓ的變化范圍為５－１５，逡逑相同栗功和相同傳熱表面條件下的傳熱性能之比Ｎｕａ／Ｎｕｅ的變化范圍為１－６。逡逑Ｌｅｉ等［３８］采用數(shù)值計算的方法研究了圓管內(nèi)置穿孔三角翼渦流發(fā)生器傳熱及水力逡逑特性

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本文編號：2782026