內(nèi)置折邊扭帶管內(nèi)混合氣體對流凝結(jié)換熱與阻力性能研究.pdf

1、在當今“節(jié)能減排”大環(huán)境下如何高效利用天然氣的熱能引起行業(yè)重視，煙氣冷凝技術(shù)就是國內(nèi)外研究熱點之一。考慮工程背景和煙氣冷凝技術(shù)特點，采用管內(nèi)插入物來強化圓管內(nèi)煙氣對流凝結(jié)換熱是備受關(guān)注的強化傳熱技術(shù)。本文以數(shù)值模擬、理論分析和實驗研究等方法，對圓管內(nèi)置折邊扭帶單相對流和對流凝結(jié)換熱的傳熱與流動性能進行了較為深入的研究，獲得的主要成果如下：
　　 提出了適合耐腐蝕的新型不銹鋼折邊扭帶作為圓管內(nèi)插入物，相比常規(guī)螺旋扭帶具有成型容易、

2、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、扭帶表面無裂紋、滿足抗腐蝕性要求等優(yōu)點，解決扭帶的穩(wěn)固性和持久性。該折邊扭帶在高扭曲比、低雷諾數(shù)下，對管內(nèi)混合氣體的單相對流換熱和對流凝結(jié)換熱均具有顯著強化作用。
　　 建立了低雷諾數(shù)下內(nèi)置扭帶管單相對流傳熱和流動三維數(shù)值模型，模型中采用三維隱式求解器，控制方程采用有限體積法進行離散，壓力速度耦合采用SIMPLE法。湍流模型采用三種k-ε湍流模型和RSM模型進行對比，采用壁面函數(shù)法來考慮近壁面流動和低雷諾數(shù)影響。繪制不

3、同網(wǎng)格節(jié)點數(shù)，進行了模型有效性和網(wǎng)格獨立性分析，適合低旋流、低雷諾數(shù)流動的Realizable湍流模型和增強壁面函數(shù)與實驗結(jié)果良好符合。
　　 經(jīng)對螺旋扭帶和折邊扭帶數(shù)值模擬對比，低雷諾數(shù)下扭帶對傳熱強化顯著，且折邊扭帶傳熱性能高于螺旋扭帶，折邊扭帶阻力系數(shù)高于螺旋扭帶阻力系數(shù)，且隨扭曲比變化較大。高扭曲比下，折邊扭帶傳熱和流動性能比優(yōu)于螺旋扭帶。與螺旋扭帶相比，折邊扭帶具有非對稱的速度和切向速度分布，在折邊長度內(nèi)斷面速度和切向

4、速度呈現(xiàn)先增速后減速或相反的現(xiàn)象，加強了主流氣體的混合，強化了換熱。
　　 影響單相對流傳熱與流動性能的折邊扭帶主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是折邊角度、折邊長度和扭帶與管壁間隙等。高雷諾數(shù)下不同折邊角度扭帶傳熱和流動性能趨向一致，低雷諾數(shù)下性能隨折邊角度增大而增大。折邊角度引起傳熱強化的原因是切向速度和湍流強度增強。折邊長度對傳熱影響不大，但對阻力系數(shù)影響較大，應(yīng)選擇折邊長度大于扭帶寬度的扭帶以降低壓力降。在相同進口質(zhì)量流量條件下，增加扭帶與管

5、壁間隙后傳熱和阻力呈現(xiàn)先減少后增加，但傳熱與流動性能比隨間隙增加而降低。其原因是間隙增大主流氣流速度減少而引起傳熱和阻力降低，但隨著間隙增大穿越扭帶間隙氣流速度增大，強化了扭帶端部傳熱增強和阻力增加。具有不同折邊長度和角度而扭曲比相同的扭帶，傳熱和流動性能基本一致。
　　 建立了內(nèi)置扭帶管對流換熱實驗臺，進行了以空氣為介質(zhì)、低雷諾數(shù)下對流傳熱與流動性能實驗，實驗與數(shù)值模擬的傳熱性能與阻力系數(shù)偏差均在±5％之內(nèi)，驗證了所建單相對流

6、換熱數(shù)值模型的可靠性，實驗得到不同壁面溫度、空氣流量下內(nèi)置折邊扭帶管對流換熱系數(shù)和阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式。
　　 通過對含少量不凝氣體和不凝氣體占多數(shù)的水蒸汽凝結(jié)換熱對比研究分析，本研究水蒸汽含量在15～25％的混合氣體對流凝結(jié)換熱中對流換熱和凝結(jié)換熱相當，需考慮液膜狀態(tài)和氣體側(cè)對流換熱對凝結(jié)換熱的影響。建立了簡化的層流膜狀凝結(jié)模型及水平內(nèi)置扭帶管內(nèi)混合氣體對流凝結(jié)換熱的物理模型。根據(jù)實驗觀察，不同扭帶結(jié)構(gòu)參數(shù)下液膜的狀態(tài)對對流凝結(jié)影響

7、主要表現(xiàn)在：液膜的積存影響氣流的流動，特別是扭帶端部的液膜，阻礙氣流穿越扭帶端部。扭曲比越小液膜積聚越多，液膜滯留時間越長，特別是與扭帶旋轉(zhuǎn)方向與重力方向相對側(cè)管壁；在低雷諾數(shù)下液膜主要靠重力控制，在高雷諾數(shù)下主要受氣液界面切應(yīng)力控制。液膜引起阻力增加主要是管內(nèi)壁液膜所引起，因此采用凝結(jié)狀態(tài)管表面阻力系數(shù)與單相流管表面阻力系數(shù)比來表征液膜粗糙度對傳熱和流動影響。
　　 在簡化液膜模型的基礎(chǔ)上，分別采用衰減因子法、擴散層理論模型和

8、傳質(zhì)導率模型分析凝結(jié)換熱機理，并根據(jù)內(nèi)置扭帶管內(nèi)混合氣體對流凝結(jié)特點提出各自準則方程。衰減因子法中提出以水蒸汽含量、氣體流動和扭帶扭曲比的關(guān)聯(lián)式。擴散層模型中利用傳熱與傳質(zhì)類比得到混合氣體側(cè)有效傳熱系數(shù)，并引入新準則數(shù)Ln來表示混合氣體露點、進口溫度和壁面溫度對凝結(jié)換熱的影響。傳質(zhì)導率模型中主要考慮了液膜粗糙度和水蒸汽凝結(jié)引起的抽吸作用，以及扭帶扭曲比、扭帶間隙的影響。實驗結(jié)果表明：傳質(zhì)導率模型誤差較小，能較全面反映混合氣體在扭帶管內(nèi)的

9、對流凝結(jié)換熱特性。
　　 建立了混合氣體在內(nèi)置扭帶管內(nèi)對流凝結(jié)換熱試驗測試系統(tǒng)，試驗研究了水蒸汽含量、壁面溫度、混合氣體流速、進口溫度等對對流凝結(jié)換熱和流動性能影響。水蒸汽含量和壁面溫度對凝結(jié)換熱量影響顯著，但對阻力系數(shù)影響不大。提高流速有利于對流凝結(jié)換熱，但降低了單位氣體的水蒸汽凝結(jié)量。一定范圍內(nèi)增加進口溫度，也促進對流凝結(jié)換熱。同時還實驗研究了扭曲比和扭帶與管壁間隙對混合氣體對流凝結(jié)換熱的影響，其主要是影響冷凝液的狀態(tài)。低扭

10、曲比下旋流增強，強化單相對流換熱，對流凝結(jié)換熱時引起液膜增厚、滯留時間長，導致凝結(jié)換熱降低和阻力增加?？紤]冷凝液的排泄，應(yīng)選擇高扭曲比扭帶。扭帶與管壁間隙除了影響氣流穿越扭帶端部強化扭帶端部傳熱外，間隙大則冷凝液膜不易積存，穿越氣流也有利于冷凝液排泄。高雷諾數(shù)下應(yīng)選擇較大間隙，低雷諾數(shù)下可選擇較小扭帶間隙。
　　 以空氣和水蒸汽二元混合氣體作為介質(zhì)，建立混合氣體在內(nèi)置扭帶管內(nèi)對流凝結(jié)的三維數(shù)值模擬模型。混合物中物性是組分和溫度的

11、函數(shù)。并采用擴散層層流底層的傳質(zhì)理論建立水蒸汽在壁面凝結(jié)模型，編制水蒸汽凝結(jié)引起的質(zhì)量源項、能量源項和組分源項，模擬分析了混合氣體的組分傳遞和凝結(jié)特性。分析對比傳熱傳質(zhì)模型和凝結(jié)模型下對流傳熱、凝結(jié)和阻力性能，差別原因是沿管長水蒸汽凝結(jié)引起流速和物性變化造成的。在恒定進口速度條件下，模擬分析扭帶與管壁間隙對對流凝結(jié)換熱影響。間隙增大，對流換熱先增加后減低，凝結(jié)換熱先增加后基本恒定，阻力系數(shù)先增加后減少。實驗和模擬結(jié)果表明，間隙為1㎜扭帶