1、管殼式換熱器是許多工業(yè)生產過程的關鍵設備，其應用領域包括冶金、石化、能源及核能、航空等。強化換熱技術是提高換熱設備換熱效率，減小換熱體積，降低成本的關鍵技術。本文依托“十二五”科技支撐項目，以研發(fā)強化換熱效果更高而水阻更低的“潔能芯”裝置為目標，通過理論分析、數(shù)值模擬及試驗對管程組合轉子的強化傳熱特性進行了系統(tǒng)的研究，并在國電、中石化電廠凝汽器開展工程應用，取得了良好應用效果。本文主要研究工作如下:
　　 一、管程單元組合轉子強

2、化傳熱機理分析
　　 在層流和低雷諾數(shù)湍流對流傳熱過程中，溫度梯度存在于整個流體通道截面，流體溫度分布為拋物線型。因此，層流與低雷諾數(shù)湍流傳熱的強化應著眼于加強整個通道截面內流體的徑向混合，也就是要改變流體通道內的速度場分布。增加傳熱方向的速度分量（橫向速度），場協(xié)同數(shù)將會大幅增加進而換熱強化。通道截面內的橫向速度分量可引發(fā)縱向渦與橫向渦。在低雷諾數(shù)湍流狀態(tài)下，縱向渦具有較好的傳熱強化效果，并且在換熱相同的情況下，縱向渦較橫向渦

3、造成的阻力壓降增幅更小。管程單元組合轉子可在換熱管內誘導占主導地位的縱向渦，同時局部伴隨有少量橫向渦。
　　 隨著流動雷諾數(shù)的增大，流體的流動將由層流狀態(tài)漸變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)。湍流狀態(tài)下，流動邊界層和熱邊界層的厚度成一定的比例關系，減薄流動邊界層與減薄熱邊界層是相互關聯(lián)的。由此提出管程單元組合轉子實現(xiàn)強化傳熱機理:
　　 ①轉子葉片擾動邊界層;
　　 ②離心流體沖擊。
　　 二、管程單元組合轉子強化傳熱及阻力特

4、性研究
　　 基于湍流區(qū)域內以破壞流體邊界層的層流底層方式實現(xiàn)強化傳熱工作機理，在螺旋三葉片和葉片間斷型轉子的結構形式的基礎上，創(chuàng)新提出了三種新型結構形式轉子螺旋兩葉片轉子、螺旋階梯兩葉片轉子和開槽螺旋兩葉片轉子，通過自行研制的強化換熱綜合性能實驗裝置，對上述五種不同結構形式的管程組合轉子的強化傳熱特性進行實驗研究。
　　 強化傳熱實驗研究結果表明:在實驗雷諾數(shù)范圍內，不同結構形式及結構參數(shù)的管程組合轉子可不同程度地提高

5、換熱過程的換熱量、管程對流傳熱系數(shù)和傳熱努塞爾數(shù)Nu，同時也相應地增加了管程壓降;增大轉子外徑對傳熱強化的貢獻明顯，阻力系數(shù)也相應有所增大;在不同結構形式的組合轉子中，開槽螺旋葉片轉子的強化傳熱綜合性能最佳，增大轉子外徑對阻力系數(shù)的影響微弱，卻能較大增強管程流體的換熱效果;在實驗研究的轉子中，外徑為22mm、導程為150mm的開槽螺旋葉片轉子具有最佳的綜合性能。
　　 三、管程單元組合轉子傳熱及流動的數(shù)值模擬研究
　　

6、利用FLUENT軟件對葉片外徑為22mm、導程為200mm的螺旋葉片轉子進行了數(shù)值模擬研究，獲得了該種內置組合轉子換熱管管內流體的速度場和溫度場分布。此外，采用數(shù)值模擬方法對外徑均為22mm，導程分別為100mm、150mm和200mm的螺旋葉片組合轉子進行了模擬研究，通過數(shù)值分析方法研究比較了轉子導程對強化管努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)的影響規(guī)律。數(shù)值模擬結果表明:在相同條件下，強化管的努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)都會隨著轉子葉片導程的減小而增大。

7、>　　 四、管程單元組合轉子在線防垢除垢特性研究及結構創(chuàng)新
　　 管程單元組合轉子防垢除垢實驗結果表明:安裝有單元組合轉子的有機玻璃管與光管相比達到污垢動態(tài)平衡狀態(tài)的周期更長，達到動態(tài)平衡狀態(tài)后的污垢沉積程度為未安裝轉子有機玻璃管污垢沉積程度的50％。管程單元組合強化換熱裝置的在線除垢功能具體體現(xiàn)在:
　　 (1)破壞污垢生長的流速條件，延長污垢生長誘導期;
　　 (2)增強近壁區(qū)流體的剪切作用，加速已生成污垢

8、的剝落;
　　 (3)減薄熱邊界層，增大近壁區(qū)的溫度梯度，使得已生成污垢因熱應力剝落;
　　 (4)增強管程中心流體對壁面污垢的沖擊作用;
　　 (5)利用轉子的物理磨蝕作用除垢。
　　 同時，基于湍流強化傳熱機理分析，以實驗和數(shù)值模擬結果為依據(jù)，以改進阻垢除垢性能、增大邊界層擾流、減薄邊界層、提高綜合換熱效果為目標，再次對轉子的結構進行改進，創(chuàng)新性的提出了邊界層減薄型轉子、帶導熱除垢纖毛螺旋兩葉片轉子兩