管殼式換熱器自激振蕩脈動強化傳熱技術(shù)研究

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1、中國石油大學(xué)(華東)碩士學(xué)位論文第一章緒論1．1課題背景換熱器廣泛應(yīng)用于化工、石油、電力、冶金、輕工等行業(yè)的生產(chǎn)工藝過程中，是最常見的通用設(shè)備之一。管殼式換熱器由于具有結(jié)構(gòu)堅固、操作彈性大和使用材料范圍廣等獨特的優(yōu)點，今后仍將在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得到繼續(xù)發(fā)展。管殼式換熱器使用歷史悠久，經(jīng)歷了由單弓形到多弓形折流板，由單管程到多管程的發(fā)展歷程。由于普通弓形折流板支撐會不可避免地引起滯流死角、流體阻力損失大、傳熱平均溫差的利用率不高、傳熱效率指標(biāo)低，在某些場合不能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需要，強化型管殼式換熱器應(yīng)運而生。新型的

2、管殼式換熱器采用增強管內(nèi)和管外側(cè)的換熱方式，使得換熱器的換熱與流阻性能比普通弓形折流板換熱器的傳熱與流阻性能有了明顯的改善，在節(jié)約設(shè)備投資、減小流體輸送功耗以及提高換熱能力等方面都起了較普通弓形折流板換熱器有了明顯改善?！鶕?jù)流體力學(xué)和傳熱學(xué)理論，當(dāng)具有粘性且能潤濕壁面的流體流過壁面時，由于粘滯力的作用，在靠近壁面處產(chǎn)生流動邊界層。層流流動具有層流邊界層，紊流流動具有紊流邊界層，只是在貼附于壁面的一極薄層內(nèi)仍保持層流的性質(zhì)，這部分稱為層流底層。管式換熱器內(nèi)部的溫度梯度主要集中在邊界層內(nèi)。在層流或紊流條件下，

3、如果能夠有效的破壞邊界層，減小層流邊界層或?qū)恿鞯讓拥臒嶙瑁梢杂行У靥岣呔植繐Q熱系數(shù)，是強化對流換熱過程的有力措施。以往的研究表明，脈動流可在一定范圍內(nèi)有效地提高對流換熱系數(shù)。盡管利用流體脈動來強化傳熱傳質(zhì)效果的這一方法早為人們所熟知，但是目前采用的多是有源功流體脈動，如外加機械振動強化傳熱。這些方法在強化傳熱效果的同時，消耗了功，造成了損失，無法達(dá)到效益的最大化。無源功流體脈動強化傳熱，即是通過流體自激誘發(fā)而產(chǎn)生脈動對傳熱過程進(jìn)行強化，既可提高傳熱的效果，又無需消耗外來功，同時由于流體的脈動對換熱器管內(nèi)結(jié)

4、垢也會有一定的抑制作用，因此深入研究流體自激振蕩機理和方法，開發(fā)適合于管殼式換熱器入口流體自激振蕩的裝置，具有較高的學(xué)術(shù)價值和工程應(yīng)用價值。1．2研究及應(yīng)用現(xiàn)狀1．2．1研究現(xiàn)狀1流體脈動強化傳熱第一章緒論Martinelli等人【lJ可能是世界上最早研究流體脈動對管內(nèi)強制對流換熱影響的學(xué)者，1943年他們發(fā)表了研究成果，實驗采用直徑為31．8毫米的直立管為換熱管，利用水作為工質(zhì)，用泵在管進(jìn)口處發(fā)生脈動，脈動波型為半正弦波，脈動頻率f=-0．22~4．4Hz，雷諾數(shù)Re=1400～77000。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

5、脈動換熱與恒定流相比，平均換熱系數(shù)可提高100％。隨后Marchant[21、West和Taylor[31、Shirotsukat41、linke[51做了類似的實驗研究，結(jié)果大致相同。1959年G．B．Darling[6】的學(xué)者注意到上游發(fā)生脈動和下游發(fā)生脈動會產(chǎn)生完全不同的結(jié)果，并做實驗驗證了這一觀點，實驗表明，當(dāng)在上游發(fā)生脈動時可提高對流換熱系數(shù)70％左右，在下游發(fā)生脈動時反而會降低對流換熱系數(shù)。戴克17J研究了Helmholtz脈動燃燒器的尾管中脈動燃?xì)鈱ξ补鼙诿娴膫鳠崽匦?，研究表明脈動強化了傳熱效

6、果。2自激振蕩工作原理高壓小流量的波渦作用機理認(rèn)為：·旦噴嘴激振頻率接近其固有頻率，即可發(fā)生振幅較大的高頻激振。廖振方教授利用非定常流與渦運動理論對自激脈沖發(fā)生機理【8J進(jìn)行了解釋：當(dāng)一股射流或剪切流向下游流動時，射流中一定頻率范圍內(nèi)的渦量擾動得到放大。在剪切層中形成一連串離散渦環(huán)，當(dāng)其到達(dá)碰撞壁并與之相互作用時，在碰撞區(qū)產(chǎn)生壓力振蕩波，該波以聲速向上游傳播，又誘發(fā)新的渦量脈動。若分離區(qū)與碰撞區(qū)的壓力脈動相互為反相，就會形成渦量擾動—放大一新的渦量脈動產(chǎn)生的循環(huán)過程。該過程不斷重復(fù)，就會形成強烈的自激振蕩脈

7、沖射流。低壓大流量自激的“空氣彈簧"機理【9】認(rèn)為：腔內(nèi)產(chǎn)生了大小周期性變化的一圈軸對稱空化氣囊，氣囊中心即為腔內(nèi)負(fù)壓中心。能夠產(chǎn)生軸對稱渦環(huán)的腔體結(jié)構(gòu)，是產(chǎn)生激振的先決條件，其次是上噴嘴直徑必須在工作壓力下提供足夠的射流湍動能，使其在腔內(nèi)形成軸對稱渦換結(jié)構(gòu)；最后，下噴嘴的直徑和長度應(yīng)為脈沖流體提供良好的過流條件，從而產(chǎn)生強勁有力的脈沖射流。由于渦環(huán)作用而產(chǎn)生的渦環(huán)中心的空化區(qū)域?qū)㈦S時間做周期性縮張，壓力降低(小于汽化壓力)時，空化區(qū)域擴大，對中心射流形成阻擋，猶如閥門關(guān)閉，壓力回升(大于汽化壓力時)，空化

8、區(qū)域縮小，釋放射流能量，猶如閥們打開：這樣就形成了低壓大流量的脈沖射流效果。3自激振蕩射流噴嘴設(shè)訓(xùn)10J由于流體共振是靠自激產(chǎn)生的，是無源自振。根據(jù)水聲學(xué)原理，共振駐波的頻率與噴嘴固有頻率相近，該頻率值由噴嘴的臨界斯特羅哈(Strouhal)數(shù)確定，但是，精2中國石油大學(xué)(華東)碩士學(xué)位論文確的共振頻率值取決于振蕩噴嘴的入口截面(見／d,),am口截面漁／吐)的收縮程度。因此，振蕩噴嘴的設(shè)計，首先必須計算出振蕩噴