第一章 绪论

鉴于我国在能源结构和利用方面存在的诸多问题，提高能源利用率成为工业化进程中不可回避的问题，换热器作为工业生产在能源消耗的重要组成部分，如何提高换热器的节能效果成为重要研究课题。换热器作为常用的典型工业能源设备，主要用于工业中介质的热交换，如空气的预热，水蒸气的冷凝以及余热回收等，其设备投资比例高，例如在石化行业中能占到 30%~40%，其耗能一般分为两部分，一部分是换热器本身设备的投资，另一部分是流体输送所产生的功耗。换热器性能的好坏直接关系到工业生产中能量的利用效率，因此节能的首要问题就变为如何提高换热器的性能，一方面可以通过优化换热器的结构和运行参数，另一方面则是采用强化传热技术来提高换热器的传热系数及综合传热性能。本课题受到广东省科技厅重大科技专项“先进智能高效换热技术在糖厂加热与蒸发装置的研究与应用（基金编号：2011A080804012）”的资助。本课题所研究内容有助于扩展与深化现有传热强化的方法与理论, 并促进现有工业系统的换热器技术升级，对糖厂节能降耗及其他行业的节能减排有重大意义。

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第二章 垂直管内自然对流换热实验研究

2.1  引言

在现代工业领域，光滑管管壳式换热器因为其良好的机械密封性和承压能力，已经成为目前最广泛的化工传热设备。因此，对于管壳式换热器强化传热技术的研究具有重大意义。其中对传热管表面结构的改造技术是较早并且技术比较成熟的，例如将光滑管改造为具有周期性缩放肋面的缩放管就是其中之一。此外，管内内插物技术近些年来也得到了广泛研究。但是这些研究技术中，大部分将重点放在了强制对流[139]研究中，而这些技术对自然对流的影响的研究较少，尤其是缩放管内插旋流片的复合强化传热技术对自然对流影响方面研究。因此本章以水和糖液为工质，研究在自然循环闭路系统中内插旋流片垂直缩放管内自然对流的传热强化。主要目的是研究缩放管及内插旋流片的间距对水和糖液的自然对流换热的影响。

2.2  实验系统介绍

垂直管内自然对流换热实验平台如图2-1所示，主要由加热系统，循环装置系统及测量系统组成。循环装置主要部分是由升液管、降液管、底部储液管、顶部循环管组成的闭路循环系统，升液管外为蒸汽加热套管，两者组成一管壳式换热器，为本文实验研究段，升液管可以自由拆卸，可根据需要替换为需要研究的管型及旋流片组合。加热系统采用壳程蒸汽加热，蒸汽由电加热锅炉产生，蒸汽加热至0.68MPa 后进入换热系统的壳程，通过压力调节阀来控制蒸汽压力。测量系统有铜-康铜热电偶，Agilent 34970A数据采集仪，计算机等，所有温度的测量均采用热电偶，通过Agilent 34970A采集数据，并通过计算机记录和监控。为保证测量准确性，各个测点的温度均采用多点测量取平均值的方法。实验过程中，循环系统充满传热介质至顶部循环管的 1/3 处，升液管内的介质在壳程蒸汽加热下温度升高，密度降低，造成升液管和降液管的密度差，从而引起循环系统内介质的逆向循环自然对流。

第三章  垂直管内自然对流传热数值模拟 ........................... 33

3.1  引言 .....................33

3.2  数值模拟方法 .............................. 33

第四章  糖液蒸发器的强化传热及多效蒸发的节能优化 ...................... 54

4.1  引言 .............................. 54

4.2  蒸发器强化传热实验研究 ............................... 55

4.2.1  实验装置及流程 ......................................... 55

4.2.2  实验步骤 .............................................. 56

第五章  缩放通道内沸腾换热的数值模拟 ............................ 67

5.1  引言 ............................. 67

5.2  几何模型及网格划分 ............................... 67

5.3  数值计算方法 .............................................. 69

第六章 缩放肋面对流体自然对流换热的影响

6.1  引言

作为粗糙表面技术的一种，缩放管周期性的急扩和渐缩肋面，能够有效的强化管内流体的换热，因而取代光滑管被广泛引用于各种换热器内。通过前文对内插旋流片的缩放管的实验及数值模拟可知，缩放管的周期性缩放肋面和旋流片能够对管内流体的自然对流起到复合强化传热作用，效果远大于单一的光滑管和缩放管，而且旋流片的个数对强化自然对流传热有重要影响。为探讨单一缩放管的强化传热作用，本章详细研究了缩放管的缩放肋面结构尺寸对自然对流强化传热的影响。分别通过数值模拟研究了具有缩放肋面的方腔内的自然对流以及二维缩放通道内的自然对流，重点考察了两种不同类型区域内缩放肋面尺寸对于流体自然对流及强化传热的影响。

6.2 缩放方腔内自然对流的数值模拟

利用有限体积法通过fluent 软件包对控制方程进行数值求解，采用二维双精度求解器、基于压力的二维层流隐式求解计算，方腔垂直壁面温度恒定，水平壁面绝热。速度与压力的耦合采用SIMPLEC算法[155]以加快计算的收敛速度，压力项采用 PRESTO!格式离散，动量和能量的离散均采用二阶迎风方式，连续性方程残差控制在 10-4以下，其他项被控制在10-6以下。采用四种不同尺寸的网格进行网格无关性检验，检验结果如表 6-2 所示，综合考虑计算时间和精度，采用尺寸函数网格进行后续的研究。为了验证数值计算方法的准确性，通过上述方法对光滑壁面方腔内的流动模拟结果与前人的研究结果比较，如表 6-3所示，数据吻合较好，误差控制在2.56%以内。

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结论

本文通过实验研究和数值模拟研究相结合的方式，对缩放通道内的自然对流和沸腾现象进行了研究，主要研究内容有：不同流体在内插旋流片的垂直管内的自然对流传热与流阻性能的研究；糖液在内插旋流片的垂直管内的沸腾传热以及糖厂多效蒸发系统的节能优化；缩放肋面对水的流动沸腾的影响；缩放肋面的肋高和缩放比对缩放方腔及缩放通道内自然对流的影响。通过对这些内容的研究，初步得到了以下结论。

论文创新点：

1.  本文研究了缩放管内插不同个数旋流片时不同流体自然对流的流动与传热情况，并从轴向换热能力、场协同及切向速度的角度对缩放管内插旋流片的强化传热进行了分析；

2.  研究了缩放肋面的肋高和缩放比对自然对流传热与流动的影响，并解释了其强化传热机理；

3.  将缩放管内插旋流片的协同强化传热技术应用于糖厂蒸发器，并对糖厂多效蒸发系统进行节能优化；

4.  研究了旋流片及缩放肋面对流动沸腾的影响。

研究展望：     

旋流片与粗糙管的复合强化传热作为本课题组的研究内容之一，其强化传热机理及旋流片和粗糙管结构尺寸需要更深入的研究，将内插旋流片缩放管应用于工业换热器中也需要进一步的研究。由于对于不同流体，内插旋流片缩放管的传热效果达到最优所需的旋流片个数不同，因此需要进一步研究影响最优个数的因素，得到一个普适的结论。

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参考文献（略）