第一章 绪论

1.1  研究背景

能源自古以来是人类社会赖以生存发展的物质基础，能源问题是现代社会关乎国计民生的重大问题，随着越来越多发展中国家工业化发展的需要，能源的消耗量日益增多，同时由于全球范围内能源的有限性，使得供需产生不平衡，所以能源问题成为现代社会关乎国计民生的重大问题。世界能源需求大国在大肆进口石化燃料的同时，越来越多的转变为开发利用新能源、优化能源利用结构、及采用各种节能设备和技术。虽然中国能源储藏量丰富，但是由于人口众多，人均能源占有量远远低于其它国家，而且中国的能源结构及利用方面存在诸多问题。作为世界第二能源生产国和第一能源消费国，中国的水电能源消费强度是世界平均水平的4.23倍，与发达国家相比，中国的能源消费过分依赖煤炭，天然气和核能所占比重过低，能源生产方面，中国的煤炭产量居世界第一位，原油产量居世界第五位，天然气产量居世界第七位，表1-1充分说明了中国能源和生产消费结构极为不平衡。因此我国在 2006 年提出的十一五规划纲要和 2011 年提出的十二五规划纲要中均对能源问题提出了新的要求，指出要推动能源生产和利用方式的变革，调整优化能源结构，在立足国内的基础上加强国际合作，坚持节约优先，推动能源多元清洁发展，优化能源开发布局。

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。

1.2  自然对流与沸腾换热研究综述

1.2.1  自然对流研究现状

1.2.1.1  自然对流简介

自然对流是在没有外界驱动力的情况下流体依然存在的一种运动，引起流体这种运动的内在力量是温度差或者组分浓度差。由于流体内部存在着温度差，使得各部分流体的密度不同，温度高的流体密度小，必然上升；温度低的流体密度大，必然下降，从而引起流体内部的流动，进而引起热量传递。一个热物体被周围的低温空气冷却，建筑物的加热和冷却，海洋中温度和盐度差引起的环流等都属于自然对流。自然对流广泛存在于电气设备的冷却、材料加工、能量综合利用及热安全工程等领域，因此在过去的几十年里自然对流及其产生的传质传热引起了人们的极大关注，许多关于自然对流的书籍和期刊问世，例如Jaluria， Gebhart等人的书籍。不同于强制对流，自然对流依靠温度和浓度差在重力场或其它体积力场内产生流动，因此初始的流动状态是未知的，需要综合考虑质量和热量传递的机理。同时，自然对流的速度和压降一般比强制对流要小的多。自然对流的流态通过瑞利数(Ra)来判断，当Ra<108时，自然对流处于层流状态，当Ra>1010时，自然对流处于湍流状态，二者之间为过渡状态。自然对流按照流动区域大体上可以分为两类，一类是流动区域没有固定边界的大空间自然对流流动，另一类是封闭区域内的自然对流流动。前者是最常见的自然对流流动，如圆柱、球体、平板外表面的自然对流，这些表面或者是垂直的或者是倾斜的，后者主要如封闭方腔内的流动、室内空气的自然对流、管内流动的自然对流等。

Varol 等人在瑞利数8×105到4×106范围内，对有倾斜翅片的方腔内的层流自然对流进行了研究，数学模型的计算结果与实验一致，给出了多个影响因素下的努赛尔关联式。 Yao 等人研究了波浪形表面对自然对流的影响，研究表明波形表面对流场及温度分布均有影响，总传热系数要大于平板，且强化传热情况依赖于波长及振幅。近年来，随着纳米流体的产生，许多学者开始研究纳米流体对换热的影响，E. Abu-Nada 等[11]将纳米流体置于方腔内，在瑞利数 103到 105、纵横比 0.5 到 2、体积分率 0 到 9%范围内研究了自然对流流动及换热情况；W.A. Khan 等人研究了恒热流条件下垂直平板附近纳米流体的自然对流，分析了各个参数下自然对流流动及换热情况，给出了努赛尔数的关联式。宋姗姗等采用不可压理想气体模型、密度随温度变化及Boussinesq近似三种密度处理方式，在瑞利数 103到 106范围内对封闭方腔内的自然对流换热进行了数值模拟，结果表明，当温差大于50 K或Ra>104时，采用Boussinesq模型误差较大。张敏等对有内热源的二维方腔内自然对流进行了数值模拟，考察了热源宽度和高度对温度场、流场及热源表面努赛尔数的影响。

第二章 垂直管内自然对流换热实验研究

2.1  引言

热物体被周围的低温空气冷却，建筑物的加热和冷却，海洋中温度和盐度差引起的环流等都属于自然对流。不同于强制对流，自然对流的速度和压降一般要小的多，绝大多数处于层流。自然对流依靠温度和浓度差在重力场或其它体积力场内产生流动，因此初始的流动状态是未知的，需要综合考虑质量和热量传递的机理。Davis采用二阶中心差分对二维方腔内空气的自然对流进行了数值模拟，在Ra为 103到106范围内对流动状况进行了分析。Kuehn等对水平环形区域自然对流的速度、温度分布及局部换热系数进行了实验和数值模拟，以水和空气为介质，Ra 从 2.11×104到  9.76×105，实验和模拟结果吻合较好。Mohamad等采用 Lattice-Boltzmann 方法模拟了空气在开口方腔内的自然对流，在 Ra 为 104~106和纵横比为 0.5~10的条件下发现传热速率随着纵横比的增加逐渐降低。Kuznetsov等研究了在垂直平板上自然对流的纳米流体的边界层流动。Abu-Nada等研究了纳米流体在水平同心环中自然对流的传热强化，结果表明高 Ra 数下高热导率的纳米粒子能强化传热，在中等Ra数下低热导率的纳米粒子反而不利于传热。

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

2.2.1  实验设备及流程

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

3.2.1  模型简介................. 33

3.2.2  控制方程和数值方法.................. 34

第四章  糖液蒸发器的强化传热及多效蒸发的节能优化.................. 5

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

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

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

6.2.1  物理模型简介

二维方腔模型如图6-1所示，主要结构参数有边长 H、节距Lp、收缩段长度Lcon、扩张段长度 Ldiv及肋高 e。方腔的垂直壁面为缩放肋面，水平面为光滑壁面，方腔在垂直和水平方向的长度相等，均为60 mm，单个缩放肋面的长度为 12 mm。方腔的水平壁面绝热，垂直壁面一个高温另一个低温且都保持恒定，缩放肋面详细尺寸见表格6-1，缩放比定义为收缩段长度和扩张段长度的比值。

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。

1. 通过实验得到了水和 60%糖液在内插旋流片的缩放管和光滑管内自然对流的传热系数曲线，研究发现，旋流片个数的增加会提高自然对流的传热系数，但是当个数增加到一定数目时传热系数的增加不再明显，对于水和60%糖液分别内插7个和2个时增幅最大，更大旋转角度的旋流片有利于提高传热系数，传热系数的大小顺序依次为内插旋流片缩放管、内插旋流片光滑管、缩放管、光滑管。在实验研究管程传热温差范围内，对于水，光滑管内插旋流片后的传热系数约为1000~1300  W/(m2·K) ，而缩放管内插旋流片后的传热系数约为 1200~1800 W/(m2·K)；对于 60%糖液，光滑管内插旋流片后的传热系数约为 350~600 W/(m2·K)，而缩放管内插旋流片后的传热系数约为 500~800 W/(m2·K)。

2. 对水和 60%糖液在内插旋流片的缩放管和光滑管内的自然对流进行了数值模拟，分析了内插旋流片的缩放管对自然对流的强化传热情况。温度场分析发现，相比于光滑管中心区流体很难被加热，缩放管内插旋流片后中心区域加热明显，流体温度远高于光滑管。速度场分析发现，缩放管内插旋流片后速度升高明显，水和糖液的中心区与近壁区流速差异较大。模拟得到恒壁温下传热系数随旋流片个数的变化趋势与实验结果一致，而旋流片个数的增加导致管程阻力系数一直增加，综合强化传热分析得到了水内插7个、糖液内插2个的结论。通过轴向换热能力分析，流体的热流密度沿轴向震荡性衰减，但是由于缩放管和旋流片的作用，边界层变薄，截面温差变小，整个管程局部传热系数在较高范围内波动，远大于光滑管。对近壁区切向速度分析发现，光滑管的几乎为0，缩放管内插旋流片后，对于水在0~0.04 m/s 之间波动，对于糖液在 0~0.2 m/s 之间波动，切向速度的增加时边界层传热得到强化的主要原因。场协同分析发现，内插旋流片后缩放管在近壁区和旋流片下游中心区的协同情况均优于光滑管，协同角的余弦值对于水在0~0.32之间波动，对于糖液在-0.1~0.3 之间波动，而光滑管的最大值只有0.011。

3. 通过实验研究了旋流片对管内沸腾传热的影响，分别得到了不同旋流片个数和旋转角度下缩放管和光滑管的沸腾传热曲线，研究发现传热系数随旋流片个数的增加而增加，270°旋流片的传热系数要稍大于180°的，但是差别不大，光滑管内插旋流片后沸腾传热系数增大约 39%~81%，缩放管内插旋流片后，相比于光滑管沸腾传热系数可提高约67%~157%。综合实验数据，得到了内插旋流片后管内的沸腾传热系数关联式。将糖厂蒸发器的光滑管改造为内插旋流片的缩放管，并对其进行节能优化，由于传热系数的提高，在总传热温差和总传热面积不变的情况下，实现了生蒸汽消耗量的减少。通过对文中实例的计算，采用内插1~9 个旋流片的缩放管后，生蒸汽消耗量可减少 11.3%~37%左右，每年可节约标煤1547吨~5107吨。

参考文献（略）