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

1、在當(dāng)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(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一?？紤]工程背景和煙氣冷凝技術(shù)特點(diǎn)，采用管內(nèi)插入物來(lái)強(qiáng)化圓管內(nèi)煙氣對(duì)流凝結(jié)換熱是備受關(guān)注的強(qiáng)化傳熱技術(shù)。本文以數(shù)值模擬、理論分析和實(shí)驗(yàn)研究等方法，對(duì)圓管內(nèi)置折邊扭帶單相對(duì)流和對(duì)流凝結(jié)換熱的傳熱與流動(dòng)性能進(jìn)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(wú)裂紋、滿(mǎn)足抗腐蝕性要求等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)管內(nèi)混合氣體的單相對(duì)流換熱和對(duì)流凝結(jié)換熱均具有顯著強(qiáng)化作用。
　　 建立了低雷諾數(shù)下內(nèi)置扭帶管單相對(duì)流傳熱和流動(dòng)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(jìn)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(jìn)行對(duì)比，采用壁面函數(shù)法來(lái)考慮近壁面流動(dòng)和低雷諾數(shù)影響。繪制不

3、同網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行了模型有效性和網(wǎng)格獨(dú)立性分析，適合低旋流、低雷諾數(shù)流動(dòng)的Realizable湍流模型和增強(qiáng)壁面函數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好符合。
　　 經(jīng)對(duì)螺旋扭帶和折邊扭帶數(shù)值模擬對(duì)比，低雷諾數(shù)下扭帶對(duì)傳熱強(qiáng)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(dòng)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(duì)稱(chēng)的速度和切向速度分布，在折邊長(zhǎng)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(qiáng)了主流氣體的混合，強(qiáng)化了換熱。
　　 影響單相對(duì)流傳熱與流動(dòng)性能的折邊扭帶主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是折邊角度、折邊長(zhǎng)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(dòng)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(qiáng)化的原因是切向速度和湍流強(qiáng)度增強(qiáng)。折邊長(zhǎng)度對(duì)傳熱影響不大，但對(duì)阻力系數(shù)影響較大，應(yīng)選擇折邊長(zhǎng)度大于扭帶寬度的扭帶以降低壓力降。在相同進(jìn)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(dòng)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(qiáng)化了扭帶端部傳熱增強(qiáng)和阻力增加。具有不同折邊長(zhǎng)度和角度而扭曲比相同的扭帶，傳熱和流動(dòng)性能基本一致。
　　 建立了內(nèi)置扭帶管對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了以空氣為介質(zhì)、低雷諾數(shù)下對(duì)流傳熱與流動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(yàn)證了所建單相對(duì)流

6、換熱數(shù)值模型的可靠性，實(shí)驗(yàn)得到不同壁面溫度、空氣流量下內(nèi)置折邊扭帶管對(duì)流換熱系數(shù)和阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式。
　　 通過(guò)對(duì)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(duì)比研究分析，本研究水蒸汽含量在15～25％的混合氣體對(duì)流凝結(jié)換熱中對(duì)流換熱和凝結(jié)換熱相當(dāng)，需考慮液膜狀態(tài)和氣體側(cè)對(duì)流換熱對(duì)凝結(jié)換熱的影響。建立了簡(jiǎn)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(duì)流凝結(jié)換熱的物理模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，不同扭帶結(jié)構(gòu)參數(shù)下液膜的狀態(tài)對(duì)對(duì)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(dòng)，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(shí)間越長(zhǎng)，特別是與扭帶旋轉(zhuǎn)方向與重力方向相對(duì)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(lái)表征液膜粗糙度對(duì)傳熱和流動(dòng)影響。
　　 在簡(jiǎn)化液膜模型的基礎(chǔ)上，分別采用衰減因子法、擴(kuò)散層理論模型和

8、傳質(zhì)導(dǎo)率模型分析凝結(jié)換熱機(jī)理，并根據(jù)內(nèi)置扭帶管內(nèi)混合氣體對(duì)流凝結(jié)特點(diǎn)提出各自準(zhǔn)則方程。衰減因子法中提出以水蒸汽含量、氣體流動(dòng)和扭帶扭曲比的關(guān)聯(lián)式。擴(kuò)散層模型中利用傳熱與傳質(zhì)類(lèi)比得到混合氣體側(cè)有效傳熱系數(shù)，并引入新準(zhǔn)則數(shù)Ln來(lái)表示混合氣體露點(diǎn)、進(jìn)口溫度和壁面溫度對(duì)凝結(jié)換熱的影響。傳質(zhì)導(dǎo)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：傳質(zhì)導(dǎo)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(duì)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(duì)流凝結(jié)換熱試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)研究了水蒸汽含量、壁面溫度、混合氣體流速、進(jìn)口溫度等對(duì)對(duì)流凝結(jié)換熱和流動(dòng)性能影響。水蒸汽含量和壁面溫度對(duì)凝結(jié)換熱量影響顯著，但對(duì)阻力系數(shù)影響不大。提高流速有利于對(duì)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(jìn)口溫度，也促進(jìn)對(duì)流凝結(jié)換熱。同時(shí)還實(shí)驗(yàn)研究了扭曲比和扭帶與管壁間隙對(duì)混合氣體對(duì)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(qiáng)，強(qiáng)化單相對(duì)流換熱，對(duì)流凝結(jié)換熱時(shí)引起液膜增厚、滯留時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)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(qiáng)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(duì)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(kuò)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(xiàng)、能量源項(xiàng)和組分源項(xiàng)，模擬分析了混合氣體的組分傳遞和凝結(jié)特性。分析對(duì)比傳熱傳質(zhì)模型和凝結(jié)模型下對(duì)流傳熱、凝結(jié)和阻力性能，差別原因是沿管長(zhǎng)水蒸汽凝結(jié)引起流速和物性變化造成的。在恒定進(jìn)口速度條件下，模擬分析扭帶與管壁間隙對(duì)對(duì)流凝結(jié)換熱影響。間隙增大，對(duì)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(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，間隙為1㎜扭帶