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轉速對熱管傳輸功率的影響[ 01-29 08:05 ]

熱管傳輸功率和旋轉速度之間關系的實驗結果如圖5 所示。從圖中可以看到隨著轉速的提升，熱管的傳輸功率增加，反應溫度在85 ℃時，熱管傳輸功率從600 W，提升至1 000 W。在100 r /min 以下的時候，傳熱功率的增加較為明顯，在轉速提升到150 r /min 以上，傳熱功率呈上升狀態。隨著轉速的提升旋轉熱管冷熱側Ｒe 顯著提升，而Ｒe 數的提升直接使得熱管傳輸功率提高。隨著轉速和傳輸功率的提升，熱管產生更多的冷凝液，對于直立旋轉熱管由于旋轉壁面對液體的展平作用，熱管冷凝段壁面液膜隨著傳熱量的增加有所加厚，增

實驗值和理論值對比（下）[ 01-28 10:05 ]

1) 雷諾數修正在用近似模型理論計算時，忽略了夾套內冷卻水的軸向流動，以及電機的震動等因素，這樣會使得計算得到的雷諾數小于實際的雷諾數，特別是在轉速較低的情況下，這樣的影響更為顯著。考慮到這些因素對實際流形的影響，此處提出雷諾數修正，修正系數C如表2 所示。Ｒe’= CＲe式中: Ｒe'—修正以后的雷諾數。( 2) 增加凝結液膜傳遞熱阻的修正在轉速較高的情況下，實際雷諾數和計算出來的雷諾數較為接近，如表2 中所示，當n ＞ 210 r /min時，C = 1。此時，造成理論值偏離實際

實驗值和理論值對比[ 01-28 09:05 ]

圖4 為實驗值和理論值之間的比較。實驗條件為冷卻水流量60 L /min，冷卻水的定性溫度為30 ℃。反應釜內溫度85 ℃。從圖4( a) 可以看出兩者變化保持一致，隨著轉速的升高，熱阻降低。但是在轉速30 r /min 時，理論熱阻要高于實驗測得的熱阻，這是由于: ( 1) 選擇的傳熱模型在低轉速條件下有誤差; ( 2) 由于旋轉產生的震動等因素，實際的雷諾數會高于計算值，使得熱阻降低。在轉速210 r /min時，理論值低于實驗值，這是因為: ( 1) 此時時熱管熱阻已經很低，而在計算時忽略了部分熱阻，會對結果

冷卻水流量以及轉速對熱管總傳熱熱阻的 影響[ 01-28 08:05 ]

圖3 為反應溫度85 ℃時熱管熱阻隨轉速的變化曲線。從圖中可以看出旋轉速度對于熱管傳熱的促進作用。低速旋轉時，旋轉熱管的工作狀態接近一般的重力熱管，工質在蒸發段受熱氣化，在冷凝段冷卻回流。熱管靜置時，反應釜內介質的熱量通過自然對流的方式將至蒸發段外壁面，再透過熱管蒸發段金屬壁，傳遞給工質。當熱管開始旋轉時，熱阻驟然減小，這是因為: ( 1) 熱量從反應釜物料傳遞到熱管外壁面的傳熱方式，由自然對流變為強制換熱，減小了蒸發段熱阻，提升了對熱管的能量輸入; ( 2)熱管在輸入熱量較低時，蒸發段的狀態是間歇沸騰狀態或者自然

旋轉熱管攪拌槳反應釜傳熱性能的安裝步驟及方法[ 01-27 10:05 ]

實驗中，旋轉熱管攪拌槳的蒸發段浸沒于反應釜物料中。冷卻段外布置有水冷夾套，加熱棒提供的熱量用于加熱反應釜中的物料，模擬放熱反應過程。熱管的工質在蒸發段吸收熱量，將熱量傳遞至冷卻段，再通過冷卻水將熱量帶走。通過測量冷卻水的進出口溫差，可以得到傳熱功率。在不同的旋轉速度和反應溫度以及不同冷卻水流量下對旋轉熱管進行傳熱試驗研究，并分析旋轉速度、冷卻水流速以及反應溫度對熱管傳熱的影響。反應釜中采用水作為模擬介質，采用加熱控溫裝置來控制溫度，使得反應釜內溫度分別保持在55、65、75、85、95 ℃。旋轉速度分別取n = 3

旋轉熱管攪拌槳反應釜傳熱性能的實驗裝置[ 01-27 09:05 ]

實驗裝置如圖1 所示，主要由反應釜筒體、電機、減速器、旋轉熱管、加熱控溫系統和冷卻水系統構成。水冷夾套設有冷卻水進口和冷卻水出口。旋轉熱管由蒸發段、冷凝段和絕熱段構成。冷凝段為光滑直管。蒸發段下部為枝狀分叉結構，由3 根和軸呈30°的分支管均勻分布構成。旋轉熱管的具體尺寸如表1 所示。冷凝段配套的水冷夾套內徑為120mm，長度為310mm。鳳谷工業爐集設計研發,生產銷售,培訓指導,售后服務一體化,專利節能技術應用,每年為企業節省40%-70%的能源成本,主要產品加熱爐,工業爐,節能爐,蓄熱式爐,垃圾氣化處理

旋轉熱管攪拌槳反應釜傳熱性能的實驗研究[ 01-27 08:05 ]

在眾多的傳熱元件中，熱管是人們所知最有效的傳熱元件之一。它充分利用了熱傳導原理與相變介質的快速熱傳遞性質，通過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，并具有均溫的作用，其導熱能力超過任何已知金屬。目前，隨著熱管技術的快速發展，熱管已用于工業生產中的各個領域。旋轉熱管，作為一種新型熱管，也在工業應用中嶄露頭角。隨著研究的深入，研究對象慢慢擴大到中、低速旋轉熱管。在這種情況下，工質的回流是離心力和重力共同作用的結果，在轉速較低的情況下，重力作用甚至還占主導地位。現有的攪拌式反應釜，通常采用水冷夾套或者盤管來移除反應釜中的

反應釜設計的結論[ 01-26 10:05 ]

本文對適用于強放熱反應的攪拌釜進行了傳熱過程研究和設計。總體研究思路是先進行傳熱實驗，得到實驗數據和規律；再進行CFD數值模擬，通過比較實驗和模擬結果驗證模擬方法的可靠性；最后改變結構參數進行模擬，研究其對傳熱效果的影響。研究得到結論后，結合設計手冊與所得結論，針對某強放熱反應的反應釜進行優化設計，該釜已投入實際生產且運行良好。(1)對裝有五個不同螺距盤管的攪拌釜進行對流傳熱過程實驗，得到6個轉速下共30組傳熱特性數據，用Wilson法處理得到盤管外側的對流傳熱系數。結果顯示，轉速越大，傳熱效果越好，且轉速對管外對

反應釜設計圖紙[ 01-26 09:05 ]

反應釜設計要求[ 01-26 08:05 ]

此含能化合物的合成過程要控制在．5~0℃溫度范圍進行反應(取平均溫度．2．5℃進行計算)，之后在35℃左右進行蒸餾。反應釜通過盤管進行冷卻換熱，通過夾套進行加熱蒸餾，盤管內的冷卻介質采用-20℃的冷凍鹽水，夾套的加熱介質采用水。反應物為濃硫酸、水、亞硝酸鈉和物質A。根據50kg產量要求和轉化率估算，需要濃硫酸233．4kg，亞硝酸鈉39．2kg，水579埏，A71．2kg，另需乙酸乙酯380kg。由于重氮化反應具有高放熱的特點，裝料系數不宜過大，取60％左右，實際裝料量約1130L，故反應釜按照容積為1900L來設

不同結構參數下攪拌釜對流傳熱過程的數值模擬[ 01-25 10:05 ]

對于攪拌設備的研究，大多集中在攪拌器上，關于盤管的研究很少，老版的設計手冊對于管間距、盤曲直徑等設計尺寸有較嚴格的要求，而新版的設計手冊沒有提及。故本章從盤曲直徑、槳徑、雙層盤管和雙層槳4個設計因素考察它們對盤管外側對流傳熱系數的影響。通過第三章的模擬結果與實驗結果比較，已經驗證了CFD模擬方法的可靠性，本章將繼續采用CFD模擬的方法進行攪拌釜研究，釜內流體依然采用甘油。觀察不同溫度下的速度場可知，在產323．15K時，釜內流體混合較好，盤管的傳熱效果受管間距的影響也較大，故本章僅模擬Ⅳ_300印m，產323．15

湍流模型[ 01-25 09:05 ]

可知其處于過渡流區域，CFD模擬過渡流常用采用層流模型lamier，但攪拌槳附近的動區域內湍動劇烈，用層流不合理，故設定動區域為湍流，盤管內部也為湍流，采用流動和傳熱都吻合較好的標準k．￡模型，靜區域設定為層流。為了盤管邊界層的傳熱計算更加準確，采用強化壁面函。壓力．速度的耦合方式采用simple算法，湍流動能和湍流動能耗散率的離散格式采用一階迎風格式(first order upwind)，動量的離散格式采用二階迎風格式(second orderup），模擬速度場時的動量方程和湍動方程殘差設置為10-5，模擬溫度

模擬策略[ 01-25 08:05 ]

實際情況中，攪拌反應釜內溫度由323．15K下降到308．15K過程復雜且時間長，若直接進行數值模擬將耗費大量存儲空間和運行時間，故采用簡化的分段模擬策略來近似求解。具體策略是：選取323．15K，318．15K，313．15K和308．15K為冷卻過程中的四個關鍵溫度點，然后將這四個溫度下的物性參數分別輸入至除溫度外操作參數相同的四個case中，先僅開啟動量方程計算速度場，待速度場穩定后，再關閉動量方程，打開能量方程，進行溫度場的模擬，直至穩定，最后計算出每個算例的對流傳熱系數，求平均。其中，判斷速度場穩定的標準

網格劃分與邊界條件[ 01-24 10:05 ]

本文采用CFD前處理軟件Gambit對模型進行網格劃分。由于攪拌反應釜結構較復雜，須分三塊進行網格劃分：動區域，靜區域和盤管。動區域：采用多重網格法進行模擬，攪拌器附近圓柱體區域設定為動網格區域，單獨劃分，動區域面與攪拌器槳葉面附近采用尺度函數為網格加密。盤管：Gambit中對于柱體一般采用cooper的劃分網格方法，即先劃分截面網格，之后通過固定步長的掃掠劃分體網格，使每個截面上的網格保持一致。但由于螺旋盤管圈數多，扭曲大，直接cooper會引發巨大的網格畸變導致錯誤，故將每圈盤管切分為4段相等長度，再使用coo

攪拌釜結構參數和物性參數[ 01-24 09:05 ]

模擬過程中攪拌釜的模型只取液面以下的部分，以裝有I號盤管的攪拌釜為例，具體參數如下表：為了驗證模擬方法的可靠性，物性參數設置也要與實驗相吻合。動區域和靜區域均設定為甘油，盤管內設定為水。模擬過程中盤管內水的溫度變化較小，物性可設為定值，密度為998k·m-3，比熱容為4200J·kg～·K-1，導熱系數為O．6W·m～·K-1，黏度為0．001 Pa·s。甘油的密度、比熱容和導熱系數隨溫度變化不大且對攪拌釜內傳熱影響較小，故可分別設

攪拌釜對流傳熱過程的數值模擬方法[ 01-24 08:05 ]

上章通過對流傳熱實驗測量計算了盤管外側對流傳熱系數，進而比較不同螺距盤管的換熱效果，結果可靠，但局限性也很大，一是實驗過程耗費大量人力、物力，二是無法采得清晰準確的速度場和溫度場分析原因，三是設計參數一旦確定，要改變則只能定制新的設備，不僅浪費時間，而且重復性無法保證，可能引入其他干擾因素影響實驗結果。所以，目前很多學者更傾向于采用CFD軟件模擬的方法來研究攪拌釜性能。本章采用與實驗相同大小的模型(包括裝有I—V號盤管的五個攪拌釜模型)對N-300rpm況下的冷卻傳熱過程進行模擬，得到速度場和溫度場，并

攪拌釜的模擬方法[ 01-23 10:05 ]

攪拌釜內流場數值模擬的難點主要在于運動的槳葉與靜止的壁面之間因相對速度不同而產生的影響作用。很多學者陸續提出了各自的解決方法，主要包括：黑箱模型法、內外迭代法、滑移網格法和多重參考系法。其中，滑移網格法(SlideMethod，簡稱SM)和多重參考系法(Multiple Ref-erence Frame，簡稱MRF)模擬效果較好，被FLⅦNT軟件采用。MRF法最初由Luo等在1994年提出，其核心思想是將計算區域劃分為兩個獨立的區域，攪拌槳及附近的區域定義為動區域，采用旋轉速度與攪拌槳轉速相同的運動坐標系，而其他的

標準k-з加模型[ 01-23 09:05 ]

最簡單的完整湍流模型是兩方程模型，需要求解速度和長度尺度兩個變量。標準k-з模型是通過實驗得到的半經驗模型。模型假設流體處于完全湍流狀態且忽略分子黏性的影響，通過精確的方程推導得到湍動能輸運方程，通過無力推導、數學上模擬相似原型方程得到耗散率方程，表達式如下：式中：Gb為由浮力產生的湍動能項；Gk為由平均速度梯度產生的湍動能項； 場為可壓縮流體的湍流流動脈動擴張項；C1、C2、C3。為模型的經驗常數；o1和o2分別為k和з的湍流Prandtl數。由于忽略分子粘性力對流動的影響，標準k-з模型適用于完全湍流流體的模擬

CFD湍流模型[ 01-23 08:05 ]

流體流動的三大守恒定律：質量守恒、動量守恒和能量守恒定律可用一個通用的微分方程表達為：其中多代表因變量，I代表時間項，II代表對流項，III代表擴散項，Ⅳ代表源項。當Φ分別等于1，u，T，k和s時，式1．20分別代表了質量、動量、能量、湍流動能和湍流動能耗散率的守恒方程。層流區域的動量守恒方程，即N-S方程為：湍流區域的動量守恒方程較層流方程增加了雷諾應力張量一項，即：本文所使用的FUJENT軟件提供了多種湍流模型：標準加模型、重整化群抽模型、可實現露嵋模型、層流模型、Spalan-A11nlaras單方程模型、砌

CFD簡介[ 01-22 10:05 ]

CFD進行流動和傳熱模擬分析的基本思想是利用一系列有限個離散點上的變量值來代替空間域上連續的物理量的場，如速度場和溫度場，之后，按照流體力學原理建立這些離散點上變量之間的代數方程組，通過求解這些方程組來獲得場變量的近似值。常用的CFD軟件包括CFX、FLUENT、PHOENICS、STAR-CD等。CFD軟件包括三個主要環節：前處理、求解過程和后處理，對應的程序模塊分別為前處理器、求解器和后處理器。前處理環節是向CFD軟件輸入待求問題的相關數據，這個過程要借助與求解器對應的對話框等圖形界面完成，一般分為以下幾個步驟