用于冷却牛顿流体和增强牛顿流体传热特性的刮板式换热器综述及数值方法

摘要：刮板式换热器可用于加热或冷却高粘度、热敏性以及易沉积的料液，流体进入换热器的速度、主轴的转速、叶片的形状和数量以及向换热器施加流量（固定或可变）等影响换热器传热性能的主要参数，本研究旨在找出影响刮板式换热器（sshe）换热效率的相关参数，并确定其重要性，以便于将刮板式换热器应用到其他各种场合。本论文在全面回顾前人工作的基础上，对该换热器进行了数值研究，揭示了其在冷却方式下的性能。研究结果表明，在所研究的参数中，转子转速是最有效的参数，提高转速能显著改善超临界流体换热性能。

关键词：表面刮伤换热器（SSHE）冷却方式 对流换热系数  牛顿流体 定子转速 进口流量

制药、食品加工和化学工业面临的一个关键挑战是对所涉及的流体的整体集成和均匀传热，这些流体几乎都具有高粘度。刮板式换热器（sshe）由于其特殊的结构，是完成这项工作的最佳解决方案。刮板式换热器由两个同心圆形筒体和一个主轴轴组成。工质于两个筒体之间。料液从换热器的一侧进入，与内缸表面接触后，逐渐被叶片刮削并转向出口。叶片的运动不仅可以防止料液流体沉积，而且还可以产生湍流，从而均匀地传递热量。首先用Trommelen[1]描述了SSHE中的传热和流体流动机制。环形空间中叶片的存在使流体流动与库埃特-泰勒流动有所不同。利用电化学技术，Dumont[2]和Mabit[3]研究了SSHE中定子和转子壁面上的剪切速率。他们认识到交换器的计算剪切速率是库特流的10~100倍。这一区域的剪切速率很大程度上取决于叶片和定子壁之间的间隙。最大剪切速率接近叶片尖端，在这里，流体的粘度产生热能。Sun[4]研究了流体粘度在能量耗散过程中产生的热量。结果表明，粘度引起的能量耗散可以改变流体中的温度分布，如Benezech等。[5]还断言，它甚至可以作为热源发挥作用。

最近，Yataghene[6]建立了一个二维模型来研究换热器横截面积内的流体流动。当叶片与定子之间的间隙为130mm时，剪切速率的数值计算结果与Dument[7]的实验结果吻合较好。数值方法使研究人员能够得到换热器横截面上剪切速率的分布。

sshe中另一个被调查的参数是停留时间分布（rtd）。RTD是一种指示器，用于确定颗粒在稳定流动条件下通过路径的程度。在sshe领域的早期，一些研究人员研究了影响sshe中混合时间的因素。根据以往的研究，轴流速度对RTD没有影响。此外，到目前为止，还没有使用该技术报告有关sshe中流结构的重要信息。为了更好地了解固体火箭发动机内部的流动和传热结构，在二维数值模拟的基础上进行了全过程的研究。到目前为止，已经模拟了许多设置条件[7~11]。用Trommelen[1]分析了流体的流变行为、转子角速度、流型（层流或湍流）、叶片数量和SSHE中的传热。sshe的传热研究通常集中在无量纲数（nusselt、prantel和raynolds）之间的关系的建立上。Abichandani[12]在流体流动和热处理类型方面全面修订了SSHE。推导了不同条件下对流换热系数的计算公式。值得注意的是，SSHE中的流体流动从层流开始到层流泰勒涡，大约在Ta=60处。流动类型对传热系数有显著影响。当泰勒涡为层流时，可以增强传热。

Yataghene[13]利用简化几何（叶片固定在定子上）中的实验可视化（PIV技术）分析了SSHE中的流体流动，并基于有限体积法（FVM）进行了数值模拟。最近，Russell[14]在冷冻条件下测试了SSHE。结果表明，随着转速的增加，机械耗散显著增加，影响热平衡。

Bozzoli[15]强调了对流换热系数的重要性；在任何情况下，通过旋转叶片和反向混合，可以通过混合边界层中的流体来增加传热系数[16,17]。有时，可通过径向和轴向雷诺数之间的关系来解释SSHE中复杂的流动模式。这种复杂的流动影响不同的设计因素，如叶片的形状设计、流入和流体特性[18]。

一种简单实用的方法是通过Wilson图型技术[19]获得外部传热系数。在这项技术中，估计传热系数并不严重依赖于流体速度[20]。使用线性图估算壁面和壁间传热的总热阻[21]。这一过程的验证表明努塞尔数和雷诺数几乎是独立的[22]。Khartabil和Chisistense[22]在非线性回归的基础上进行了进一步的研究，Styrylska和Lechowska[23]在非线性回归分析的基础上生成了Wilson图。这一假设的结果表明，整个过程的传热系数是恒定的。但也有其他的假设，其中一些被忽略的参数应该被考虑并估计它们的影响。

热交换器的研究缺乏热分析和设计。对具有临界条件的SSHE的理论和数值设计进行了少量的科学考察。大多数关于SSHE的实验研究都是分一个或两个阶段进行的。由于实验室研究的结果取决于换热器的尺寸[24-28]，因此不可能得出总体印象或结论。实验室研究通常给出特殊条件（不同的旋转雷诺数、转速和传热条件）和不同几何尺寸（叶片的数量和形状）下努塞尔数的数值。总传热系数包括壳体、内外壁和流体的传导传热。因此，假设外热阻比内热阻更重要[17]。符合这种简化可能会带来误导性的结果，因为转子转速以相同的速度增加换热器的内外热电阻[17]。对于内部换热，努塞尔数是由旋转雷诺数和普朗特数独立获得的，但通常忽略轴向雷诺数的影响。由于在经济上不可能针对不同的应用和材料构建和测试不同的SSHE，因此对设备的性能及其影响因素有足够的了解似乎很重要。根据文献综述，这一事实尚未得到直接解决。对上述问题的全面控制导致了换热器的广泛应用和更多的节能。