用于冷卻牛頓流體和增強牛頓流體傳熱特性的刮板式換熱器綜述及數值方法

2022-08-08 07:37:22 上海費撒姆機械有限公司

摘要：刮板式換熱器可用于加熱或冷卻高粘度、熱敏性以及易沉積的料液，流體進入換熱器的速度、主軸的轉速、葉片的形狀和數量以及向換熱器施加流量（固定或可變）等影響換熱器傳熱性能的主要參數，本研究旨在找出影響刮板式換熱器（sshe）換熱效率的相關參數，并確定其重要性，以便于將刮板式換熱器應用到其他各種場合。本論文在全面回顧前人工作的基礎上，對該換熱器進行了數值研究，揭示了其在冷卻方式下的性能。研究結果表明，在所研究的參數中，轉子轉速是最有效的參數，提高轉速能顯著改善超臨界流體換熱性能。

關鍵詞：表面刮傷換熱器（SSHE）冷卻方式對流換熱系數牛頓流體定子轉速進口流量

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制藥、食品加工和化學工業面臨的一個關鍵挑戰是對所涉及的流體的整體集成和均勻傳熱，這些流體幾乎都具有高粘度。刮板式換熱器（sshe）由于其特殊的結構，是完成這項工作的最佳解決方案。刮板式換熱器由兩個同心圓形筒體和一個主軸軸組成。工質于兩個筒體之間。料液從換熱器的一側進入，與內缸表面接觸后，逐漸被葉片刮削并轉向出口。葉片的運動不僅可以防止料液流體沉積，而且還可以產生湍流，從而均勻地傳遞熱量。首先用Trommelen[1]描述了SSHE中的傳熱和流體流動機制。環形空間中葉片的存在使流體流動與庫埃特-泰勒流動有所不同。利用電化學技術，Dumont[2]和Mabit[3]研究了SSHE中定子和轉子壁面上的剪切速率。他們認識到交換器的計算剪切速率是庫特流的10~100倍。這一區域的剪切速率很大程度上取決于葉片和定子壁之間的間隙。最大剪切速率接近葉片尖端，在這里，流體的粘度產生熱能。Sun[4]研究了流體粘度在能量耗散過程中產生的熱量。結果表明，粘度引起的能量耗散可以改變流體中的溫度分布，如Benezech等。[5]還斷言，它甚至可以作為熱源發揮作用。

最近，Yataghene[6]建立了一個二維模型來研究換熱器橫截面積內的流體流動。當葉片與定子之間的間隙為130mm時，剪切速率的數值計算結果與Dument[7]的實驗結果吻合較好。數值方法使研究人員能夠得到換熱器橫截面上剪切速率的分布。

sshe中另一個被調查的參數是停留時間分布（rtd）。RTD是一種指示器，用于確定顆粒在穩定流動條件下通過路徑的程度。在sshe領域的早期，一些研究人員研究了影響sshe中混合時間的因素。根據以往的研究，軸流速度對RTD沒有影響。此外，到目前為止，還沒有使用該技術報告有關sshe中流結構的重要信息。為了更好地了解固體火箭發動機內部的流動和傳熱結構，在二維數值模擬的基礎上進行了全過程的研究。到目前為止，已經模擬了許多設置條件[7~11]。用Trommelen[1]分析了流體的流變行為、轉子角速度、流型（層流或湍流）、葉片數量和SSHE中的傳熱。sshe的傳熱研究通常集中在無量綱數（nusselt、prantel和raynolds）之間的關系的建立上。Abichandani[12]在流體流動和熱處理類型方面全面修訂了SSHE。推導了不同條件下對流換熱系數的計算公式。值得注意的是，SSHE中的流體流動從層流開始到層流泰勒渦，大約在Ta=60處。流動類型對傳熱系數有顯著影響。當泰勒渦為層流時，可以增強傳熱。

Yataghene[13]利用簡化幾何（葉片固定在定子上）中的實驗可視化（PIV技術）分析了SSHE中的流體流動，并基于有限體積法（FVM）進行了數值模擬。最近，Russell[14]在冷凍條件下測試了SSHE。結果表明，隨著轉速的增加，機械耗散顯著增加，影響熱平衡。

Bozzoli[15]強調了對流換熱系數的重要性；在任何情況下，通過旋轉葉片和反向混合，可以通過混合邊界層中的流體來增加傳熱系數[16,17]。有時，可通過徑向和軸向雷諾數之間的關系來解釋SSHE中復雜的流動模式。這種復雜的流動影響不同的設計因素，如葉片的形狀設計、流入和流體特性[18]。

一種簡單實用的方法是通過Wilson圖型技術[19]獲得外部傳熱系數。在這項技術中，估計傳熱系數并不嚴重依賴于流體速度[20]。使用線性圖估算壁面和壁間傳熱的總熱阻[21]。這一過程的驗證表明努塞爾數和雷諾數幾乎是獨立的[22]。Khartabil和Chisistense[22]在非線性回歸的基礎上進行了進一步的研究，Styrylska和Lechowska[23]在非線性回歸分析的基礎上生成了Wilson圖。這一假設的結果表明，整個過程的傳熱系數是恒定的。但也有其他的假設，其中一些被忽略的參數應該被考慮并估計它們的影響。

熱交換器的研究缺乏熱分析和設計。對具有臨界條件的SSHE的理論和數值設計進行了少量的科學考察。大多數關于SSHE的實驗研究都是分一個或兩個階段進行的。由于實驗室研究的結果取決于換熱器的尺寸[24-28]，因此不可能得出總體印象或結論。實驗室研究通常給出特殊條件（不同的旋轉雷諾數、轉速和傳熱條件）和不同幾何尺寸（葉片的數量和形狀）下努塞爾數的數值。總傳熱系數包括殼體、內外壁和流體的傳導傳熱。因此，假設外熱阻比內熱阻更重要[17]。符合這種簡化可能會帶來誤導性的結果，因為轉子轉速以相同的速度增加換熱器的內外熱電阻[17]。對于內部換熱，努塞爾數是由旋轉雷諾數和普朗特數獨立獲得的，但通常忽略軸向雷諾數的影響。由于在經濟上不可能針對不同的應用和材料構建和測試不同的SSHE，因此對設備的性能及其影響因素有足夠的了解似乎很重要。根據文獻綜述，這一事實尚未得到直接解決。對上述問題的全面控制導致了換熱器的廣泛應用和更多的節能。