【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(yīng)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(shí)際應(yīng)用過程中,換熱器換熱強(qiáng)度較低,換熱表面結(jié)垢嚴(yán)重,造成了大量的能源浪費(fèi),給相關(guān)企業(yè)帶來了巨大的損失。對(duì)此,國內(nèi)外學(xué)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。其中,組合轉(zhuǎn)子因兼具強(qiáng)化傳熱及在線自清潔的雙重特性而擁有十分廣闊的應(yīng)用前景,但由于對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)及擾流等基礎(chǔ)特性認(rèn)識(shí)不清以及對(duì)其強(qiáng)化傳熱及抗垢特性研究不足,其應(yīng)用受到了極大的限制。本文綜述了國內(nèi)外各強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究進(jìn)展,指出了各強(qiáng)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(duì)象,采用實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)及擾流等基礎(chǔ)特性和強(qiáng)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(qiáng)化傳熱及自清潔技術(shù)的工業(yè)應(yīng)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(qiáng)化傳熱及自清潔方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),創(chuàng)造性地提出了將其應(yīng)用于管式光生物反應(yīng)器對(duì)微藻進(jìn)行培養(yǎng)的方案,同時(shí)基于此設(shè)想開展了組合轉(zhuǎn)子優(yōu)化管式光生物反應(yīng)器性能的初步研究,以期改善管式反應(yīng)器固有的混合傳質(zhì)性能差、微藻附壁生長(zhǎng)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(cè)量的原理和方法,然后基于周期法的測(cè)速原理開發(fā)了組合轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)定裝置,搭建了相應(yīng)的轉(zhuǎn)速測(cè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái),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(dǎo)程、轉(zhuǎn)子的外徑以及轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)等因素對(duì)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(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式;接下來介紹了 PIV(Particle Image Velocimetry,粒子圖像測(cè)速)技術(shù)及其工作原理,然后搭建了 PIV實(shí)驗(yàn)臺(tái),利用PIV技術(shù)對(duì)組合轉(zhuǎn)子擾流作用下的管內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分別獲得了橫截面和縱截面內(nèi)的速度場(chǎng),分析了管內(nèi)的湍流強(qiáng)度和徑向速度變化情況,對(duì)比了轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程和葉片數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響,最后基于管內(nèi)的流場(chǎng)情況對(duì)組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化管內(nèi)傳熱傳質(zhì)及混合的機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)。(2)組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及抗垢特性研究首先利用Gnielinski和Filonenko經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)強(qiáng)化傳熱綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了校核,然后利用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)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(qiáng)化傳熱及阻力特性實(shí)驗(yàn),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(píng)價(jià)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(qiáng)化傳熱性能;接下來對(duì)數(shù)值模擬方法尤其是湍流數(shù)值模擬方法進(jìn)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(yàn)證了模擬方法的準(zhǔn)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(shí)間的變化關(guān)系,揭示了螺旋葉片轉(zhuǎn)子的強(qiáng)化傳質(zhì)及抗垢特性。(3)組合轉(zhuǎn)子在微藻培養(yǎng)中的應(yīng)用研究首先利用ANSYS FLUENT分別對(duì)光管及內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子管內(nèi)的流場(chǎng)和微藻細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)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(xì)胞的受光特性;然后搭建了管式光生物反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置,開展了小球藻的對(duì)比培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),探究了螺旋葉片轉(zhuǎn)子對(duì)管式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)小球藻的影響。綜上,本文對(duì)組合轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)及擾流等基礎(chǔ)特性、組合轉(zhuǎn)子的強(qiáng)化傳熱及抗垢特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)地研究,旨在為組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及自清潔技術(shù)的工業(yè)推廣應(yīng)用提供理論和技術(shù)參考;同時(shí),本文也對(duì)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(yīng)器的性能,提高微藻培養(yǎng)效率,從而為實(shí)現(xiàn)微藻的規(guī)�；囵B(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(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK172;TK124
【圖文】：

據(jù)獲得了用來預(yù)測(cè)波紋管內(nèi)的努塞爾數(shù)和兩相阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)引起的強(qiáng)化傳熱，螺旋線圈在安裝時(shí)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(dāng)雷諾數(shù)為逡逑３４２９，Ｐ／Ｄ＝ｌ，ｓ＝ｌ時(shí)，熱性能達(dá)到最優(yōu)的１．８２。逡逑0１１１１＾等［３２］實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(dāng)螺距直徑比Ｐ／Ｄ＝ｌ，三角逡逑形邊長(zhǎng)與管徑比ａ／Ｄ＝０．０８９２，雷諾數(shù)為３８５８時(shí)，最高傳熱強(qiáng)度達(dá)到３６．５％。逡逑Ｐｒｏｍｖｏｎｇ＃３１實(shí)驗(yàn)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(jìn)行結(jié)果比較之外，還與典型的圓截面線圈進(jìn)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(píng)價(jià)兩種線圈真實(shí)收益的性能評(píng)價(jià)因子。逡逑Ｓａｎ等［３４］測(cè)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(dǎo)流體在流過該結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生二次渦流，促進(jìn)流體的重新分布與混合，從而逡逑實(shí)現(xiàn)流體的強(qiáng)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(duì)內(nèi)置錐形條狀渦流發(fā)生器的圓管進(jìn)行了靈敏度分析和多目標(biāo)優(yōu)化，逡逑設(shè)計(jì)參數(shù)包括雷諾數(shù)，錐形條填充比Ｃ和節(jié)距Ｐ，目標(biāo)函數(shù)為比努塞爾數(shù)和比阻力系逡逑數(shù)，設(shè)計(jì)的目標(biāo)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(qiáng)化，優(yōu)化時(shí)使用了邋ＲＳＭ和ＮＳＧＡ－ＩＩ兩種方法。最后獲得的結(jié)果為：當(dāng)Ｒｅ＝１４６８，逡逑Ｃ＝０．３５，邋Ｐ＝３．９７時(shí)，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(duì)內(nèi)置彎曲三角翼渦流發(fā)生器的圓管的強(qiáng)化傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jì)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(hào)：2782026