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组合转子强化传热机理及性能研究

张震  
【摘要】:目前,在石油化工、电力、冶金等企业中分布着量大而面广的管壳式换热器,该种形式的换热器大都存在管壁积污结垢以及换热效果不理想等问题,严重影响了企业产品质量、能量利用率以及系统的经济性等。因此,提高换热器的效能,开发高效节能换热器对工业节能减排以及提高企业效益至关重要。 基于场协同理论以及高分子材料先进制造“微积分”思想提出的组合转子强化传热技术,具有自润滑、耐腐蚀以及不受换热管长度限制的特点,在线除垢阻垢以及强化换热效果显著。本文依托“十二五”国家科技支撑计划重大项目以及北京市自然科学基金,对组合转子的强化换热机理进行了系统地理论分析,提出了强化传热综合性能评价新方法,采用实验及模拟方法研究获得了组合转子的转动特性以及强化传热性能等。基于上述研究成果,完成了组合转子运行稳定性及阻垢性能的工业应用试验,为组合转子的大规模推广应用奠定了坚实的基础。本文主要研究工作如下: (1)建立了关联结构形式及几何参数的组合转子强化传热数学模型,揭示了组合转子的强化传热机理。 以螺旋叶片转子为研究对象,对转子在湍流区内的强化换热机理进行理论分析,综合考虑截面收缩、螺旋流动以及二次流等强化效果,建立包含转子几何参数在内的内置组合转子换热管在湍流区内的努塞尔数以及阴力系数的预测关联式,从而预测转子结构形式或儿何参数等对其强化传热特性及阻力特性的影响。 (2)基于组合转子强化传热机理,提出实际工况下换热系统或换热设备强化传热综合性能评价新方法。 在采用强化传热技术增强换热时,会引起流体阻力的增加。本文在学者Webb提出的PEC准则基础上补充考虑了内置转子后强化管流通面积、当量直径、流体流动路径以及整个换热系统对综合性能评价的影响,提出了能够反映换热系统或换热器采用组合转子强化传热技术后的综合性能评价新方法,评价结果更接近实际工况下强化换热效果。 (3)搭建了组合转子可视化实验平台,系统研究了组合转子转动特性以及强化管管内流体流动规律。 搭建组合转子可视化实验平台,采用苯甲基硅油作为辅助评价介质,对比分析了光管和内置转子强化管过渡区内流体的流动行为,以及转子在转动过程中与流体之间的相互作用,系统揭示了强化管管内流体流动规律。此外,为直观地观察组合转子在换热管内的转动效果,采用可视化装置研究分析了转子沿换热管轴向的转速变化规律,获得了转子的结构形式以及几何参数对转子转动特性的影响规律。 (4)通过实验及模拟方法研究得到组合转子总成组装参数、转子组合方式及转子结构形式和关键几何参数对组合转子强化传热性能的影响规律。 以开槽螺旋叶片转子及螺旋叶片转子为研究对象,研究得到湍流区内转子间距、每组转子个数、入口段长度以及过渡区内左右旋向螺旋叶片转子的组合方式等各类工艺参数对组合转子强化传热性能的影响规律,提出了组合转子强化传热装置的最优总成装配方案及转子组合方式。同时,采用数值模拟方法研究分析了转子导程、轴径、转子叶片表面开孔等关键几何参数对内置转子换热管的传热性能、阻力特性、综合性能、切向速度以及径向速度的影响规律,得到了强化传热综合性能最优的转子结构形式及关键几何参数。 (5)通过开展工业应用试验,系统评价了组合转子在实际工况下的运行稳定性及阻垢性能,为本技术的大规模推广应用奠定了基础。 本文将组合转子强化传热装置应用于600MW火力发电机组凝汽器中,开展了组合转子强化传热装置的运行稳定性试验,经过长时间连续的在线运行,得到了组合转子强化传热装置中的转子、限位件以及钢丝绳等的运行稳定性能以及运行寿命。针对中石化石家庄炼化分公司循环反应段换热器的换热管管壁上沉积了较多的原料杂质以及副产物等问题,在中石化石家庄炼化分公司的循环反应段换热器管程中安装了组合转子强化传热装置,获得组合转子在线阻垢性能试验结果。上述研究成果为组合转子的大规模推广应用奠定坚实的基础。


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