[发明专利]管道减阻流动非接触式高效强化传热系统及方法

说明书

本发明提供了一种管道减阻流动非接触式高效强化传热系统及方法，所述系统包括：第一换热器和第一动力泵；第一换热器具有管程和壳程，管程和壳程之间形成换热空间；管程连接有第一循环管路，第一动力泵设置在第一循环管路上；第一循环管路设置有位于管程进口端上游的透明窗口，透明窗口外对应设置有紫外线照射组件；第一循环管路与管程形成第一循环回路，其中容置有由反式甲氧基肉桂酸与表面活性剂配置而成的减阻溶液；壳程连接有与换热空间连通的第二循环管路，第二循环管路与换热空间形成第二循环回路；第二循环回路中容置有加热流体。本发明实施例可以在不改变流道以及不显著增加流动阻力的情况下，大幅提高传热效率。

技术领域

本发明涉及管道减阻技术领域，尤其涉及一种管道减阻流动非接触式高效强化传热系统及方法。

背景技术

本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

添加剂湍流减阻是经济高效的节能降耗技术，添加的减阻剂是指能减少流体流动摩擦阻力的化学药剂。该技术可以在管道要求增输时临时添加减阻剂，从而降低管路系统的摩阻，提高输送量，或者在一定流量下降低泵功耗。具有成本低、见效快和灵活性强等优点，在油气长距离管输、供暖或空调系统等领域已有多年应用。

然而，困扰这一技术推广应用的一大难题是：添加的减阻剂使流体的摩擦阻力降低的同时，流体的热交换能力也随之降低，且流体的传热弱化率总是略大于流体的减阻率。该弱点使得表面活性剂减阻在以热交换为主要目的应用场合中效率较低，影响了经济效益和推广应用。

为了克服减阻流动传热弱化这一应用上的瓶颈，多年来已有许多强化换热方法被提出来。主要分为改变换热器内表面以扰动粘性底层和使减阻局部失效两大类。前一种方法着眼于换热器本身，对于已有的管道的改建费用和难度大。后一种方法着眼于减阻溶液，主要是在换热器进口处安装蜂窝、筛网、静态混合器、变径管或孔板等结构，以产生高剪切应力而暂时破坏表面活性剂胶束结构，使减阻剂进入换热器后的传热性能提高，相对于前一种方法而言较灵活。

但上述方法都不可避免地会带来很高的压差损失，削弱了减阻带来的节能优势，这与添加减阻剂的初衷相悖。因此，如何既能保持较高的减阻效果，又能达到满意的换热能力，一直是困扰该领域的一大难题。

图1为典型的供热供冷循环流动传热系统的示意图。流体在泵100的泵输作用下在管道200中循环输送，流经换热器300交换热量后进入用户。然而，该系统的换热效率有限，原因如下。

如图2A所示，在未添加减阻剂的情况下，流体在管道200中流动时呈现湍流状态，边界层较薄，使得管道200内流体时刻处于湍流脉动，与壁面的热交换频繁。如图2B和图2C所示，而当添加减阻剂后，管道200内充满了减阻剂分子所形成的长蠕虫状胶束，对湍流脉动起到缓冲抑制作用，从而导致边界层大大变厚，阻碍了管道200流体与管壁的热交换。因此，减阻流动的传热效率会大幅降低。

鉴于此原理，如图3所示，现有技术一般采用在换热器300内安装破坏装置400的方法，使得原本长蠕虫状的减阻剂分子在进入换热器300以后，在破坏装置400产生的高剪切应力下发生分子链断裂，从而形成短线状分子，失去对湍流脉动的缓冲抑制作用，从而将流动边界层从图2B状态恢复到图2A的状态，提高传热效率。

现有技术发挥作用的关键在于：通过结构复杂的破坏装置400改变换热器300内的流道形状，从而产生剪切应力破坏减阻剂分子结构。

然而，根据化学基本原理可知，使分子链断裂所需要的力非常大。因此，这种机械作用需要产生很高的剪切应力，不可避免地会造成换热器300两端压力差急剧上升。根据流体力学基本原理，压力差越高，流动阻力越大。

因此，现有技术在提高传热效率的同时，带来了高额的流动阻力。提高传热效率是为了节能，所带来的高额流动阻力却导致了能量消耗增多，使得总体节能效率不高。

下面将通过具体例子定量说明上述现有技术的缺陷。