大型火力發(fā)電水冷機(jī)組凝汽器強(qiáng)化傳熱關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、管殼式換熱器是許多工業(yè)生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備，其應(yīng)用領(lǐng)域包括冶金、石化、能源及核能、航空等。強(qiáng)化換熱技術(shù)是提高換熱設(shè)備換熱效率，減小換熱體積，降低成本的關(guān)鍵技術(shù)。本文依托“十二五”科技支撐項(xiàng)目，以研發(fā)強(qiáng)化換熱效果更高而水阻更低的“潔能芯”裝置為目標(biāo)，通過理論分析、數(shù)值模擬及試驗(yàn)對管程組合轉(zhuǎn)子的強(qiáng)化傳熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并在國電、中石化電廠凝汽器開展工程應(yīng)用，取得了良好應(yīng)用效果。本文主要研究工作如下:
　　 一、管程單元組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)

2、化傳熱機(jī)理分析
　　 在層流和低雷諾數(shù)湍流對流傳熱過程中，溫度梯度存在于整個流體通道截面，流體溫度分布為拋物線型。因此，層流與低雷諾數(shù)湍流傳熱的強(qiáng)化應(yīng)著眼于加強(qiáng)整個通道截面內(nèi)流體的徑向混合，也就是要改變流體通道內(nèi)的速度場分布。增加傳熱方向的速度分量（橫向速度），場協(xié)同數(shù)將會大幅增加進(jìn)而換熱強(qiáng)化。通道截面內(nèi)的橫向速度分量可引發(fā)縱向渦與橫向渦。在低雷諾數(shù)湍流狀態(tài)下，縱向渦具有較好的傳熱強(qiáng)化效果，并且在換熱相同的情況下，縱向渦較橫向渦

3、造成的阻力壓降增幅更小。管程單元組合轉(zhuǎn)子可在換熱管內(nèi)誘導(dǎo)占主導(dǎo)地位的縱向渦，同時局部伴隨有少量橫向渦。
　　 隨著流動雷諾數(shù)的增大，流體的流動將由層流狀態(tài)漸變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)。湍流狀態(tài)下，流動邊界層和熱邊界層的厚度成一定的比例關(guān)系，減薄流動邊界層與減薄熱邊界層是相互關(guān)聯(lián)的。由此提出管程單元組合轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱機(jī)理:
　　 ①轉(zhuǎn)子葉片擾動邊界層;
　　 ②離心流體沖擊。
　　 二、管程單元組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻力特

4、性研究
　　 基于湍流區(qū)域內(nèi)以破壞流體邊界層的層流底層方式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱工作機(jī)理，在螺旋三葉片和葉片間斷型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出了三種新型結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)子螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、螺旋階梯兩葉片轉(zhuǎn)子和開槽螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子，通過自行研制的強(qiáng)化換熱綜合性能實(shí)驗(yàn)裝置，對上述五種不同結(jié)構(gòu)形式的管程組合轉(zhuǎn)子的強(qiáng)化傳熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
　　 強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:在實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍內(nèi)，不同結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)的管程組合轉(zhuǎn)子可不同程度地提高

5、換熱過程的換熱量、管程對流傳熱系數(shù)和傳熱努塞爾數(shù)Nu，同時也相應(yīng)地增加了管程壓降;增大轉(zhuǎn)子外徑對傳熱強(qiáng)化的貢獻(xiàn)明顯，阻力系數(shù)也相應(yīng)有所增大;在不同結(jié)構(gòu)形式的組合轉(zhuǎn)子中，開槽螺旋葉片轉(zhuǎn)子的強(qiáng)化傳熱綜合性能最佳，增大轉(zhuǎn)子外徑對阻力系數(shù)的影響微弱，卻能較大增強(qiáng)管程流體的換熱效果;在實(shí)驗(yàn)研究的轉(zhuǎn)子中，外徑為22mm、導(dǎo)程為150mm的開槽螺旋葉片轉(zhuǎn)子具有最佳的綜合性能。
　　 三、管程單元組合轉(zhuǎn)子傳熱及流動的數(shù)值模擬研究
　　

6、利用FLUENT軟件對葉片外徑為22mm、導(dǎo)程為200mm的螺旋葉片轉(zhuǎn)子進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，獲得了該種內(nèi)置組合轉(zhuǎn)子換熱管管內(nèi)流體的速度場和溫度場分布。此外，采用數(shù)值模擬方法對外徑均為22mm，導(dǎo)程分別為100mm、150mm和200mm的螺旋葉片組合轉(zhuǎn)子進(jìn)行了模擬研究，通過數(shù)值分析方法研究比較了轉(zhuǎn)子導(dǎo)程對強(qiáng)化管努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)的影響規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明:在相同條件下，強(qiáng)化管的努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)都會隨著轉(zhuǎn)子葉片導(dǎo)程的減小而增大。

7、>　　 四、管程單元組合轉(zhuǎn)子在線防垢除垢特性研究及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新
　　 管程單元組合轉(zhuǎn)子防垢除垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:安裝有單元組合轉(zhuǎn)子的有機(jī)玻璃管與光管相比達(dá)到污垢動態(tài)平衡狀態(tài)的周期更長，達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)后的污垢沉積程度為未安裝轉(zhuǎn)子有機(jī)玻璃管污垢沉積程度的50％。管程單元組合強(qiáng)化換熱裝置的在線除垢功能具體體現(xiàn)在:
　　 (1)破壞污垢生長的流速條件，延長污垢生長誘導(dǎo)期;
　　 (2)增強(qiáng)近壁區(qū)流體的剪切作用，加速已生成污垢

8、的剝落;
　　 (3)減薄熱邊界層，增大近壁區(qū)的溫度梯度，使得已生成污垢因熱應(yīng)力剝落;
　　 (4)增強(qiáng)管程中心流體對壁面污垢的沖擊作用;
　　 (5)利用轉(zhuǎn)子的物理磨蝕作用除垢。
　　 同時，基于湍流強(qiáng)化傳熱機(jī)理分析，以實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果為依據(jù)，以改進(jìn)阻垢除垢性能、增大邊界層擾流、減薄邊界層、提高綜合換熱效果為目標(biāo)，再次對轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)新性的提出了邊界層減薄型轉(zhuǎn)子、帶導(dǎo)熱除垢纖毛螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子兩