管壳式换热器自激振荡脉动强化传热技术研究

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1、中国石油大学(华东)硕士学位论文第一章绪论1．1课题背景换热器广泛应用于化工、石油、电力、冶金、轻工等行业的生产工艺过程中，是最常见的通用设备之一。管壳式换热器由于具有结构坚固、操作弹性大和使用材料范围广等独特的优点，今后仍将在广泛的领域内得到继续发展。管壳式换热器使用历史悠久，经历了由单弓形到多弓形折流板，由单管程到多管程的发展历程。由于普通弓形折流板支撑会不可避免地引起滞流死角、流体阻力损失大、传热平均温差的利用率不高、传热效率指标低，在某些场合不能适应工业生产的需要，强化型管壳式换热器应运而生。新型的

2、管壳式换热器采用增强管内和管外侧的换热方式，使得换热器的换热与流阻性能比普通弓形折流板换热器的传热与流阻性能有了明显的改善，在节约设备投资、减小流体输送功耗以及提高换热能力等方面都起了较普通弓形折流板换热器有了明显改善。‘根据流体力学和传热学理论，当具有粘性且能润湿壁面的流体流过壁面时，由于粘滞力的作用，在靠近壁面处产生流动边界层。层流流动具有层流边界层，紊流流动具有紊流边界层，只是在贴附于壁面的一极薄层内仍保持层流的性质，这部分称为层流底层。管式换热器内部的温度梯度主要集中在边界层内。在层流或紊流条件下，

3、如果能够有效的破坏边界层，减小层流边界层或层流底层的热阻，可以有效地提高局部换热系数，是强化对流换热过程的有力措施。以往的研究表明，脉动流可在一定范围内有效地提高对流换热系数。尽管利用流体脉动来强化传热传质效果的这一方法早为人们所熟知，但是目前采用的多是有源功流体脉动，如外加机械振动强化传热。这些方法在强化传热效果的同时，消耗了功，造成了损失，无法达到效益的最大化。无源功流体脉动强化传热，即是通过流体自激诱发而产生脉动对传热过程进行强化，既可提高传热的效果，又无需消耗外来功，同时由于流体的脉动对换热器管内结

4、垢也会有一定的抑制作用，因此深入研究流体自激振荡机理和方法，开发适合于管壳式换热器入口流体自激振荡的装置，具有较高的学术价值和工程应用价值。1．2研究及应用现状1．2．1研究现状1流体脉动强化传热第一章绪论Martinelli等人【lJ可能是世界上最早研究流体脉动对管内强制对流换热影响的学者，1943年他们发表了研究成果，实验采用直径为31．8毫米的直立管为换热管，利用水作为工质，用泵在管进口处发生脉动，脉动波型为半正弦波，脉动频率f=-0．22~4．4Hz，雷诺数Re=1400～77000。实验结果发现：

5、脉动换热与恒定流相比，平均换热系数可提高100％。随后Marchant[21、West和Taylor[31、Shirotsukat41、linke[51做了类似的实验研究，结果大致相同。1959年G．B．Darling[6】的学者注意到上游发生脉动和下游发生脉动会产生完全不同的结果，并做实验验证了这一观点，实验表明，当在上游发生脉动时可提高对流换热系数70％左右，在下游发生脉动时反而会降低对流换热系数。戴克17J研究了Helmholtz脉动燃烧器的尾管中脉动燃气对尾管壁面的传热特性，研究表明脉动强化了传热效

6、果。2自激振荡工作原理高压小流量的波涡作用机理认为：·旦喷嘴激振频率接近其固有频率，即可发生振幅较大的高频激振。廖振方教授利用非定常流与涡运动理论对自激脉冲发生机理【8J进行了解释：当一股射流或剪切流向下游流动时，射流中一定频率范围内的涡量扰动得到放大。在剪切层中形成一连串离散涡环，当其到达碰撞壁并与之相互作用时，在碰撞区产生压力振荡波，该波以声速向上游传播，又诱发新的涡量脉动。若分离区与碰撞区的压力脉动相互为反相，就会形成涡量扰动—放大一新的涡量脉动产生的循环过程。该过程不断重复，就会形成强烈的自激振荡脉

7、冲射流。低压大流量自激的“空气弹簧"机理【9】认为：腔内产生了大小周期性变化的一圈轴对称空化气囊，气囊中心即为腔内负压中心。能够产生轴对称涡环的腔体结构，是产生激振的先决条件，其次是上喷嘴直径必须在工作压力下提供足够的射流湍动能，使其在腔内形成轴对称涡换结构；最后，下喷嘴的直径和长度应为脉冲流体提供良好的过流条件，从而产生强劲有力的脉冲射流。由于涡环作用而产生的涡环中心的空化区域将随时间做周期性缩张，压力降低(小于汽化压力)时，空化区域扩大，对中心射流形成阻挡，犹如阀门关闭，压力回升(大于汽化压力时)，空化

8、区域缩小，释放射流能量，犹如阀们打开：这样就形成了低压大流量的脉冲射流效果。3自激振荡射流喷嘴设训10J由于流体共振是靠自激产生的，是无源自振。根据水声学原理，共振驻波的频率与喷嘴固有频率相近，该频率值由喷嘴的临界斯特罗哈(Strouhal)数确定，但是，精2中国石油大学(华东)硕士学位论文确的共振频率值取决于振荡喷嘴的入口截面(见／d,),am口截面渔／吐)的收缩程度。因此，振荡喷嘴的设计，首先必须计算出振荡喷