CN101398275B - 一种提高表面活性剂减阻流传热特性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体热传递技术领域，公开了一种提高表面活性剂减阻流传热特性的方法和装置，属于表面活性剂添加剂减阻流体的节能技术，特别适用于表面活性剂减阻流体的传热性能的改善和控制。本方法是在换热器入口的流体管道内改变表面活性剂减阻流的流场为拉伸流，破坏减阻流胶束，破碎减阻流粒子。本装置通过在换热器入口的流体管道内设置有拉伸流控制器，二者共同形成一个渐缩渐扩的拉伸流流道，其中渐扩部分长于渐缩部分，从而实现提高表面活性剂减阻流传热特性的目的。

Description

一种提高表面活性剂减阻流传热特性的方法和装置

技术领域

本发明涉及流体热传递技术领域，特别涉及一种提高表面活性剂减阻流传热特性的方法和装置，属于表面活性剂添加剂减阻流体的节能技术，特别适用于表面活性剂减阻流体的传热性能的改善和控制。

背景技术

节能减排是人类社会关注的主要问题之一。随着表面活性剂添加剂减阻技术的日趋成熟，并得到广泛的应用，用该方法来降低区域供暖(冷)或集中供暖系统泵的功耗，被认为是最有前途的应用。研究发现，阻力减低的根源是湍流受到极大的抑制。由于湍流大幅度的抑制，在阻力减小的同时，表面活性剂减阻溶液的传热性能也被极大的降低。有时传热下降的百分比远远超过阻力降低的百分比。所以在不降低减阻能力的前提下，必须设法提高减阻溶液的传热性能，提高区域供暖(冷)或集中供暖系统的热利用率。

对现有技术文献的检索发现，提高减阻流传热性能的方法有，在换热段前插入不同的装置，如丝网(详见Peiwen Li，Yasuo Kawaguchi，HisashiDaisaka，etal.Heat Transfer Enhancement to the Drag-Reducing Flow ofSurfactant Solution in Two-Dimensional Channel With Mesh-ScreenInserts at the Inlet[J].ASME Journal of Heat Transfer，2001，123(4)：779-789)、静态混合器(详见Yunying Qi，Yasuo Kawaguchi，Richard N，etal.Enhancing heat transfer ability of drag reducing surfactant solutionswith static mixers and honeycombs[J].International Journal of Heatand Mass Transfer，2003，46：5161-517)来提高传热，在加热段采用螺旋槽纹管(详见Yunying Qi，Yasuo Kawaguchi，Zhiqing Lin，etal.Enhancedheat transfer of drag reducing surfactant solutions with futedtube-in-tube heat exchanger[J].International Journal of Heat and MassTransfer，2001，44：1495-1505)和在加热壁面设置涡发生器(详见T.Zhou，K.C.Leong，K.H.Yeo.Experimental study of heat transfer enhancementin a drag-reducing two-dimensional channel flow[J].InternationalJournal of Heat and Mass Transfer，2006，49：1462-1471)来提高传热，采用超声波提高传热(Yunying Qi，Linda K.Weavers，etal.Enhancingheat-transfer ability of drag reducing surfactant solutions withultrasonic energy[J].J.Non-Newtonian Fluid Mech，2003，116：71-93)，采用变截面的管子(详见P.W.Li，H.Dasi saka，Y.Kawaguchi，etal.Transitional Heat Transfer and Turbulent Characteristics of DragReducing Flow through a Contracted Channel[J].Enhanced HeatTransfer，2001，8：23-40)来提高传热。针对所查阅的文献，就目前国内外提高活性剂减阻溶液传热特性的方法概括为如下几类：第一类是设法提高减阻流的流速，增大雷诺数，提高壁面剪切应力破坏胶束超级有序结构，制造湍流以提高传热系数。第二类是在减阻流内增设各种不同的胶束破坏装置，对减阻流施加纯粹剪切应力破坏胶束微结构，激发湍流提高传热系数。第三类是装置先对减阻流施加剪应力，破坏胶束超级结构，制造湍流，然后利用装置的特殊外形进一步强化湍流，致使传热系数得到提高。第四类是给减阻流局部区域提供能量，产生空化现象，破坏胶束微结构，制造湍流，提高传热系数。上述这些方法提高传热的机理可概括为，产生剪切流场，利用剪应力破坏减阻流的微结构，恢复湍流，增加扩散，改善传热。总的缺点是提高传热的受限因素比较多，如活性剂浓度、活性剂的化学特性、雷诺数、减阻流微结构破坏装置的结构等，而且还带来很大的压力损失。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高表面活性剂减阻流传热特性的装置和方法，能够改善活性剂减阻溶液的传热性能，提高区域供暖(冷)或集中供暖系统有效能的利用率。

本发明的原理是利用拉伸流场的特点而发明的。理想状况下液滴(分散相)破碎机理，即逐步破碎平衡机理。在理想的稳态流动下，如果液滴的半径足够大或者受到外场扰动的速率很高时，液滴就会破碎，液滴破碎由分散相与连续相的粘度比(P)，流场类型和毛细管数(Ca粘性剪切应力与液滴界面张力之比)控制，只有Ca达到临界值以上时，液滴才会破碎。对于剪切流动，当分散相与连续相的P在0.005～4之间时，液滴最容易发生变形和破碎。一旦P高于4以上时，剪切流动的作用效果会很差，此时液滴只发生弹性变形，不会破裂成更小的粒子。对于拉伸流动，在很宽的粘度比P范围内，无论混合体系分散相粘度怎样变化，其毛细管数的临界值均小于1。所以相对剪切流动，拉伸流动对粒子的破碎是更有效的。而且流体在拉伸流场，仅仅被拉伸，不发生旋转，流体粒子仅仅发生拉伸变形。由于流体的能量主要用来产生拉伸力，不会因旋转运动产生耗损，所以拉伸流场破坏胶束比剪切流场更有效。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案与以实现：

(1)一种提高表面活性剂减阻流传热特性的方法，其特征在于，在换热器入口的流体管道内改变表面活性剂减阻流的流场为拉伸流，破坏减阻流胶束，破碎减阻流粒子。

(2)一种提高表面活性剂减阻流传热特性的装置，基于上述提高表面活性剂减阻流传热特性的方法，其特征在于，在换热器入口的流体管道内设置有拉伸流控制器，二者共同形成一个渐缩渐扩的拉伸流流道，其中渐扩部分长于渐缩部分。

本发明的装置的进一步特点在于：

(a)所述拉伸流控制器包括：阻流体和固定在阻流体前后的两个弹性支架，所述两个弹性支架径向挤压在流体管道内壁，阻流体位于流体管道中央。

本发明的更进一特点在于：

所述阻流体为纺锤体。

所述阻流体为底部相互对接的两个圆锥体。

所述阻流体为对接的球冠和圆锥体，所述球冠的底面和圆锥体底面对接。

所述弹性支架至少具有两个可伸缩的弹性支腿，所述弹性支腿包括：螺旋弹簧，侧面纵向开设有条形孔的套筒，从套筒的一端部分伸入的撑杆，可沿条形孔滑动的销钉，所述销钉与伸入套筒的撑杆固定，套筒的另一端装入螺旋弹簧，并固定在阻流体上。

(b)所述拉伸流控制器包括：导流体和两个弹性挡圈，所述两个弹性挡圈径向挤压在流体管道内壁，导流体紧贴流体管道内壁，并位于两个弹性挡圈之间，所述导流体轴向开设有一个渐缩渐扩的拉伸流流道。

本发明的更进一特点在于：

所述导流体轴向开设有顶面相互对接的两个锥台形流道。

(c)所述流体管道包括矩形截面的流体管道。

本发明具有明显的优点和有益效果，具有显著的创造性。

本发明的优点之一是，利用拉伸流场的特点及其对胶束有效破坏原理，利用拉伸流控制器产生渐缩渐扩的流道产生拉伸流场破坏胶束微结构，强化湍流，提高表面活性剂减阻溶液的传热性能。借助流体动力学知识，对渐缩渐扩的流道，采用流线型设计，一方面能够有效的产生拉伸流场，另一方面可以大大降低压力损失。

本发明的优点之二是，产生拉伸流场的拉伸流控制器结构简单、实施方便，仅仅通过选择和改变拉伸流控制器的形状，就可用于各种常见的流道(比如矩形通道和圆形管道等)，借助结构简单的弹性支架或弹性挡圈就可以将拉伸流控制器安全可靠的安装在需要改善传热的管道位置。

本发明的优点之三是，固定拉伸流控制器的弹性支架或弹性挡圈，具有弹性可松可紧，安装拆卸方便。

本发明提高表面活性剂减阻流传热特性的装置还具有如下特点：易于制造、安装方便、价格便宜，切实可行；不论是新换热设备，还是旧换热设备，压力损失小，安装方便，维修和操作费用低。

附图说明

图1为第一种具有阻流体的拉伸流控制器设置在流体管道中的示意图，其阻流体为底部相互对接的两个圆锥体；

图2为图1的左视图；

图3为图1中弹性支架的示意图；

图4为弹性支腿的剖视图；

图5为第二种具有阻流体的拉伸流控制器设置在流体管道中的示意图，其阻流体为纺锤体；

图6为第三种具有阻流体的拉伸流控制器设置在流体管道中的示意图，其阻流体为对接的半球和圆锥体；

图7为一种具有导流体的拉伸流控制器设置在流体管道中的示意图，其导流体轴向开设有一个渐缩渐扩的拉伸流流道；

图8为另一种具有导流体的拉伸流控制器设置在流体管道中的示意图，其导流体轴向开设有顶面相互对接的两个锥台形流道；

图9为图8的左视图；

图10为弹性挡圈示意图；

以上图1-10中的流体管道的截面为圆面。

图11为一种矩形截面流体管道用阻流体示意图；

图12为流体传热性能测试装置结构示意图，其流体管道为矩形截面；

图13为采用图12流体传热性能测试装置的实验连接示意图，其中流体传热性能测试装置为图12的俯视图。

具体实施方式

参照图1、图2，拉伸流控制器包括：阻流体1和固定在阻流体1前后的两个弹性支架2，两个弹性支架2径向挤压在流体管道3内壁，阻流体1位于流体管道3中央。本实施例为第一种具有阻流体的拉伸流控制器，其中阻流体1为底部相互对接的两个圆锥体，其纵截面为对接的两个三角形，而且正对流体的圆锥高度小于背对流体的圆锥高度。

参照图3，每个弹性支架2有四个弹性支腿，四个弹性支腿4在阻流体1上周向均匀布置，径向固定在阻流体1上，径向固定可以是焊接，也可以是螺纹连接，螺纹连接最方便。

参照图4，弹性支腿4为可伸缩，每个弹性支腿4包括撑杆5、套筒6、弹簧7、销钉8和塞子9五部分，撑杆5的一部分伸入套筒6的一端，套筒6的侧面纵向开设有条形孔10，销钉8伸入条形孔10与伸入套筒6的撑杆5通过螺纹连接，销钉8可沿条形孔10滑动，可以带动撑杆5相对套筒6伸缩。套筒6的另一端装入螺旋弹簧7后，利用塞子9封堵套筒6的另一端，并焊接在本体上。安装时，压缩各个弹性支腿4，放入相应的流体管道3，然后各个弹性支腿4自动张开，抵压在流体管道3内壁上。

参照图5，第二种阻流体1为纺锤体。参照图6，第三种阻流体1为对接的半球和圆锥体，半球的底面和圆锥体底面对接。当然半球可以用球冠简单代替，同样可以实现发明目的。上述阻流体1的安装方式同样也可以采用多个图4所示的弹性支腿4。

参照图7、图8，拉伸流控制器包括：导流体11和两个弹性挡圈12，两个弹性挡圈12径向挤压在流体管道3内壁，导流体11紧贴流体管道3内壁，并位于两个弹性挡圈12之间，导流体11轴向开设有一个渐缩渐扩的拉伸流流道，其中渐扩部分长于渐缩部分。

参照图8、图9、图10，本发明的另一种具有导流体的拉伸流控制器，其导流体1外形为柱状，其外径与相应流体管道3的内径相等，其轴向开设有顶面相互对接的两个锥台形流道，先渐缩后渐扩，渐扩流道长于渐缩流道。具体做法是在一个柱体两边，轴向分别去掉一个锥台，两个锥台形流道对接，并且两个锥台外侧的底面大于内侧的顶面。两个弹性挡圈12为具有开口的环形弹簧，安装在流体管道中，能够自然张开，抵压流体管道内壁，阻止导流体的移动。

参照图11，为一种矩形截面流体管道用阻流体1，其沿流体方向的截面为底边对接的两个三角形。将该阻流体1通过支架放置在矩形流体管道中，同样可以提高流体在阻流体1下游的传热特性，原因在于本发明的原理基于拉伸流的破坏减阻流胶束、破碎减阻流粒子的功效，与流体传输的管道没有必然联系，因此本发明的适用和保护范围也并不局限于圆形截面管道和矩形截面管道。

参照图12，流体传热性能测试装置包括：加热段21，沉降室13，收集室19，沉降室13内设置有过滤器14，收缩管15作为沉降室13的出口，收集室19内设置扩流器20，收缩管15与扩流器20通过矩形截面的流体管道17连接，流体管道17的入口设置有整流栅16；在流体管道17中部不放置或放置矩形截面流体管道用阻流体1，可以进行对比试验；加热段21放置在流体管道17的中后部。加热段21相当于一个换热器，用来加热流减阻流体，测试减阻流体的传热性能。它由加热铜板、均匀布置的加热线圈、导热胶和绝热材料组成，用导热胶将加热线圈和绝热材料粘贴在铜板上，测试时铜板取代二维测试通道的一个侧面、将其用螺栓与流体管道17上下壁面联接，热通量由加热电流和线圈电阻控制。

参照图13，实验回路主要包括水箱、离心泵、单向阀、连接管道、胶束破坏装置、测试通道、温度控制器、各种测量仪表和数据处理器。测试通道由透明的有机玻璃制成，由通道内的入口采用渐缩形状，并设有整流栅整流段，主要是为了消除大的涡流；在其出口部则采用渐扩形状以减少系统的压力波动，防止壁面边界层分离引起流动不稳定。实验运行时，将活性剂溶液贮存在水箱里，并由搅拌装置进行搅拌，保证浓度均匀，由恒温器控制溶液的温度，由泵将溶液压入实验回路，途径流量计、阀、联接管道和测试通道等，最后再返回水箱，流量由电磁流量计测试，温度由热电偶测得，压力由压差变送器测得，所有数据由与计算机联接的数据采集器采集。

发明人采用上述试验回路，矩形直流流体管道的横截面是40mm×500mm，使用的减阻活性剂为两性界面活性剂Oleyl trimethylaminimide，减阻流体的浓度为50、200、1000ppm，温度为-5℃和25℃，Re＝4000～25000。结果表明：放置矩形截面流体管道用阻流体后，传热性能得到大大提高，在相同的压力损失下，该方法传热性能的提高是采用丝网的2.25倍，是静态混合器的9～18倍。

Claims (6)

1.一种提高表面活性剂减阻流传热特性的装置，其特征在于，在换热器入口的流体管道内设置有拉伸流控制器，二者共同形成一个渐缩渐扩的拉伸流流道，其中渐扩部分长于渐缩部分；所述拉伸流控制器包括：阻流体和固定在阻流体前后的两个弹性支架，所述两个弹性支架径向挤压在流体管道内壁，阻流体位于流体管道中央；或者所述拉伸流控制器包括：导流体和两个弹性挡圈，所述两个弹性挡圈径向挤压在流体管道内壁，导流体紧贴流体管道内壁，并位于两个弹性挡圈之间，所述导流体轴向开设有一个渐缩渐扩的拉伸流流道。

2.根据权利要求1所述一种提高表面活性剂减阻流传热特性的装置，其特征在于，所述阻流体为纺锤体。

3.根据权利要求1所述一种提高表面活性剂减阻流传热特性的装置，其特征在于，所述阻流体为底部相互对接的两个圆锥体。

4.根据权利要求1所述一种提高表面活性剂减阻流传热特性的装置，其特征在于，所述阻流体为对接的球冠和圆锥体，所述球冠的底面和圆锥体底面对接。

5.根据权利要求1所述一种提高表面活性剂减阻流传热特性的装置，其特征在于，所述弹性支架至少具有两个可伸缩的弹性支腿，所述弹性支腿包括：螺旋弹簧，侧面纵向开设有条形孔的套筒，从套筒的一端部分伸入的撑杆，可沿条形孔滑动的销钉，所述销钉与伸入套筒的撑杆固定，套筒的另一端装入螺旋弹簧后固定在阻流体上。

6.根据权利要求1所述一种提高表面活性剂减阻流传热特性的装置，其特征在于，所述导流体轴向开设有顶面相互对接的两个锥台形流道。

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