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弹性管束换热器技术背景点击：1994 日期：[ 2014-04-26 22:48:36 ] |
| 换热器作为一种不同介质间热交换的通用工艺设备，应用十分广泛，其性能的每一份提高都会带来极其巨大的经济与社会效益。在世界各国科学家的共同努力下，换热器及相关技术近20年来迅速发展，几乎在其研究的各个领域都取得了令人鼓舞的进步。但与此同时，一些长期未能解决的问题更加凸现出来，成为制约换热器技术进一步发展的决定因素。世界公认急待解决的五个方面的问题，其中最突出的是换热器内流体诱导振动和传热表面积垢。 换热器内流体诱导振动会导致剧烈的噪声与传热元件损坏。本世纪60年代开始对诱导振动的机理和防止振动破坏的方法进行有计划研究，主要成就是提出了换热器内可诱导振动的主要因素为漩涡脱落、紊流抖振、流体弹性激振和声共鸣，并初步归纳了基于这些机理防止振动的准则式，基本方法是依靠增加传热元件的强度来防止振动的产生。流体诱导振动研究经过近40年的努力取得了很大的成功，但与换热器的生产实际相比，人们无疑还要做更多的工作。因为不仅振动产生的噪声依然十分普遍，振动所致元件损坏亦是换热器意外事故的主要根源。 传热表面积垢造成巨大的能量与资源损失。污垢研究远早于流体诱导振动的研究，本世纪30年代即提出了污垢系数的概念。80年代以后主要是对污垢形成过程进行理论分析与实验研究，力图为换热设备的设计提供一个通用而又准确的预测模型，其突出贡献是HTRI和TEMA合作推出的不同介质的污垢热阻值。污垢研究的成果已经在换热器设计中有了广泛的应用，但总是使人感到遗憾的是对防垢、抑垢和除垢的研究一直少有进展，基本上沿用了化学清洗与机械清洗两种方法，而这两种方法却是十分不尽如人意的。 事实上，在换热器内完全防止振动的产生几乎是不可能的。因此，致力于增加传热元件的强度来防止振动从而避免元件的损坏与噪声，并不总是有效。振动的本质是能量的不断聚集与耗散，用有限的振动能使能量不断耗散，却有可能避免强烈振动所造成的元件损坏与噪声。基于这种思路，弹性管束的研究提出了利用自由振动心目振动破坏与噪声的新方法。这种方法完全不同于传统的研究模式，不致力于振动的预防，而是使元件在脉动流的诱导下自由振动，依靠元件本身的振动特性使振幅通过系统阻尼得到有效控制，使得无论是漩涡脱落、紊流抖振还是弹性激振都不能诱发强烈的共振，元件能够长期安全运行而不致损坏；同时，脉动流诱导下的振动频率与振幅较低亦不会产生剧烈的噪声。 将流体诱导振动看作并不仅仅意味着噪声与元件损坏的一种能量的表达方式，则利用流体诱导振动强化传热成为可能。在提高对流换热系数的同时降低污垢热阻无疑是在强化传热技术中最有诱惑力的，一般强化方法却很难做到。弹性管束的研究在利用自由振动防止振动破坏的基础上进而提出了利用流体诱导振动强化传热的新方法，其目的是利用流体流动诱导的弹性管束振动在扰动水流提高对流换热系数的同时，利用振动变形清除传热表面积垢，降低污垢热阻，实现复合强化传热。 弹性管束研究的目的在于开发一种利用流体诱导振动复合强化传热的换热设备，技术关键是流体诱导振动非破坏机理的研究和基于这种机理的传热元件的设计。弹性管束的研究者在前期研究中曾提出了基于非稳定流诱导振动的传热元件——浮动盘管，并设计完成了相应的系列换热设备（已获山东省科技进步一等奖和国家发明四等奖）。浮动盘管成功地解决了振动破坏与噪声问题，展示了流体诱导振动非破坏机理的存在。浮动盘管作为一个开端，留下了十分广阔的研究空间。弹性管束研究正是在这一空间中进而提出了流体诱导振动非破坏机理的有效利用。浮动盘管所基于的非破坏机理对提高传热元件对流换热系数的贡献还远远未能达到应该达到的极至，因此需要研究新的非破坏机理。正如流体诱导振动的破坏机理不是单一的一样，流体诱导振动的非破坏机理也不是唯一的。探讨不同的非破坏机理，寻求可利用途径，从而使抵达热技术在更广阔的思路上得到更多的发展。浮动盘管与弹性管束的区别在于前者的振动是随流体而动的随机振动而后者的振动则是对流体产生扰动的固定范围低频振动，后者因此在传热性能上比前者有显著提高，亦因此需要更多的理论研究与实验。 弹性管束系列换热设备的显著特征是传热迅速、结构灵活、金属耗量低、节能效果明显、运行可靠、无噪声，适用于城市热网加热、化工介质冷却、热力系统余热回收、暖通空调、生活热水供应等领域。 弹性管束系列换热设备的创新之处在于突破换热器传统设计模式，提出了以自由振动防止振动破坏与噪声并利用振动强化传热的新方法。本项研究在基础性工作及换热器实践中均取得较大进展，已经形成了利用流体诱导振动复合强化传热方面的重要知识产权。 |
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