内置螺旋弹簧强化换热作为一种典型的无源强化传热技术,可以在流体阻力损失较小的情况下,较大地提高换热器的传热系数,同时实现在线清洗污垢的功能。本文对换热管内置螺旋弹簧强化传热和抗垢特性进行了较为系统的研究。 本研究首先搭建了内置螺旋弹簧换热管强化换热综合实验台,采用对比实验研究方法,对水—水工质下光管和不同几何参数的内置螺旋弹簧换热管流动传热特性进行了实验研究。实验结果表明,内置螺旋弹簧换热管具有良好的强化传热性能,相同条件下其传热系数最高是光管的1.3倍,而阻力系数相应的是光管的2.1-4.2倍。其次,采用Fluent软件对内置螺旋弹簧换热管内流体流动与传热特性进行数值模拟,考察了弹簧的应用对管内流场、阻力压降和换热性能的影响,并研究了影响流动及换热的主要因素。模拟结果显示,相同雷诺数条件下,内置螺旋弹簧换热管Nu数均高于光管,而压降和阻力系数相比光管有明显增加,同时发现节距小、丝径大、外径大的内置螺旋弹簧换热管传热效果较好。最后,建立了污垢实验系统,配制了CaCO3溶液来模拟工业换热设备主要垢型,并采用污垢热阻法,分别对光管与内置螺旋弹簧换热管进行了析晶污垢特性的对比实验,得出了各自污垢热阻和诱导期随时间的变化关系。同时考察了水质硬度、传热温度、流速以及内置螺旋弹簧换热管几何参数对结垢过程的影响。实验结果表明,内置螺旋弹簧换热管具有结垢速度慢、诱导期长、污垢热阻渐近值小等优点,且随着水质硬度增加,传热温度升高,来流速度增大,结垢速率加快,污垢热阻值趋于增大;对弹簧管,当弹簧的节距较小,丝径较大,外径较大时,内置螺旋弹簧换热管表现出良好的抗垢性能。
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