管内对流换热影响因素及其强化分析

1管内对流换热影响因素及其强化分析摘要:从影响管内对流换热的因素出发，对近年来国内外学者的研究成果进行了综合分析，包括管内流体流动状态、表面形状、物性、脉动等对管内对流换热的影响。介绍了利用缩放管、金属泡沫管、纳米流体、高压电场等强化换热的方法。对中高温太阳能热利用系统中大温差管内对流换热的应用及其强化方法进行了展望。关键词：管内；对流；换热；强化换热InfluencingFactorsandEnhancingMethodsofConvectiveHeatTransferinTubesLeiChangkuiSafetyEngineeringClass10021003070210Abstract:SomefactorsweresummarizedsystematicallyaccordingtotheresearchinChinaandabroadinrecentyears,includingconvectionflowstate,phase-transformation,geometricfactors,fluidpulse,fluidphysicalpropertiesandviscosities.Atthesametime,somemethodsofenhancingheattransferintubeswerealsosummarized,suchasadditives,electro-hydro-dynamical,metalfoamfilledpipesetc.Finally,thecharacteristicsandthemethodofheattransferenhancementwereanalyzedinhigh-mediumtemperaturesolarpowersystems.KeyWords:tube,convection,heattransfer,heattransferenhancing0引言管内对流换热过程广泛存在于化工、动力、制冷及太阳能热利用等工程技术领域的各种热交换设备中，是一个传热温差和流体流动阻力并存且相互影响的复杂传热过程。近年来，随着市场经济的发展，热交换设备迫切需要符合节约能源、节省材料和降低成本的要求，这对强化设备的换热提出了更高的要求。众所周知，热量传递方式有热传导、热对流以及热辐射三种，因此强化传热的方法也势必从这三个方面来进行。作为热交换器中管内热流体的主要传热方式，管内对流换热的强化在热交换器强化换热研究中占有极其重要的地位。本文从理论及已有实验的角度对管内对流换热的影响因素及其强化换热的方法进行分析，以期对太阳能中高温热利用中大温差管内对流强化换热的研究提供指导和借鉴。1管内对流换热的理论分析1．1边界层理论边界层是由于流体的黏滞性，在紧靠其边界壁面附近，流速较势流流速急剧减小，形成的流速梯度很大的薄层流体，又称为流动边界层[1]。1940年德国普朗特提出著名的边界层概念后，经过发展，流体力学的研究已经证明，黏性流体存在着两种不同的流态:层流(Re＜22000)及湍流(Re10000)。层流是流体微团沿着主流方向作有规则的分层流动，而湍流时流体各部分之间发生剧烈的混合，因而在其他条件相同时湍流传热的强度自然要较层流强烈。湍流时的传热除贴壁的滞流内层外，湍流核心的速度分布和温度分布较为平坦，主要热阻存在于滞流内层中。由于滞流内层极薄，温度梯度甚大，所以湍流传热强度远远超过层流。对于强制对流，若忽略自然对流的影响，其一般准则数关系式为Nu=f(Re、Pr)在一定范围内，这个关系式可整理成如下形式:NuCRePrmn式中,Nu是努塞尔数；Re是雷诺数；Pr是普朗特数；系数c，指数m、n依影响因素不同由实验测定。1．2场协同理论针对静止坐标系下的流动换热问题，有学者从二维层流边界层能量方程出发，重新审视了热量输运的物理机制，把对流换热比拟成有内热源的导热过程，并指出热源强度不仅决定于流体的速度和物性，而且取决于流速和热流矢量的协同:流动的存在可能强化换热，也可能并无实质贡献甚至减弱换热，并以二维平板层流边界层问题为例提出了场协同理论[2]，得到了Nu数与温度梯度之间的关系，定义了表征速度场和温度场协同程度的场协同数Fc，其中Fc的表达式为PrReNuyTdUFc场协同理论提出以来，对于其在静止坐标系下的应用研究得到了广泛的关注和发展:从抛物型方程拓展到椭圆型方程；通过磁场改变方腔自然对流速度场，强化换热，将传递势容耗散极值原理应用于对流换热，获得了黏性耗散一定的条件下的最优速度场；把场协同理论的应用从层流拓展到湍流，提出采用多纵向涡强化管内对流换热的场协同强化方法；研究了脉冲流动和壁面振动问题中的传热问题，提出为了改善速度和温度梯度场的协同，应使脉动能改变垂直于换热壁面方向的速度分量。1．3有效能分析有效能指的是动力设备对流体实际做功的那部分能量。在管内对流换热中，流体因其不可逆性引起的流动摩擦阻力和温差传热，导致能量贬值，即有效能的损失。在热物性对有效能损失影响的研究中，目前对有效能的研究只是针对层流的情况。师晋生等[3]针对壁面定热流加热的管内对流换热有效能损失进行了研究，分析了黏度变化的影响。结果表明，温差传热时管内液体近壁处流速增大，换热系数也增大，在热流不变的条件下，壁面温度与流体平均温度差将减小，实际温差传热有效能损失会减小，由流动引起的有效能损失更会减小。这是因为近壁处液体流阻系数减小，这样总的单位热容有效能损失将减小。1．4脉动分析3对管内流动，脉动流体进入管道进口时造成换热系数的影响，直接反映在速度发生周期性变化，以及流体的脉动幅值、频率的变化。通常的研究结果表明脉动流体会起到强化或弱化换热效果，胡玉生等[4]通过数值模拟的方法对管内流体脉动流动的分析，结果表明阻力比无脉动时大，并且在流场中有与主流区流动方向相反的流动现象。当无因次振幅不变的情况下，换热强化比随频率的增大逐渐增大，在低频率时变化较为明显，在高频率时变化不明显，但是频率较高时能够强化换热，而在频率较低时则会有弱化换热的情况。同样，当频率不变的情况下，换热强化比是随着无因次振幅的增大先是逐渐下降然后逐渐增大，在无因次振幅较低时，会弱化换热，并且振幅的影响不是很明显。相反，振幅对换热效果的影响十分显著，并且随着振幅的增大，换热效果逐渐增大。因为脉动时阻力比无脉动时大，而且在流场中有与主流区流动方向相反流动现象，这是造成流体强化或弱化换热的原因。2管内对流换热的研究2．1缩放管强化换热缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成，使流体始终在方向反复改变的纵向压力梯度作用下流动，通过表面缩放来改变管内流体的流动状况以达到换热的效果。在同等压力降下，流体的流动速度模量、流动方向、湍流强度相较圆管内而言，缩放管的传热量会大幅度增加。黄维军等[5]研究表明，缩放管中的流体在流动滞流底层内，径向速度很小，对传热影响不大，在湍流主区，各处的径向速度分布一致，与缩放管传热系数的沿程分布没有直接联系；轴向速度是影响速度矢量模量的决定因素，但是其大小变化规律与传热系数的变化不一致，可以排除轴向速度的影响。剩下过渡区内流体的径向速度对缩放管内流体与固体壁面间的对流传热起着决定作用，相应地表面传热的提高也受过渡区的湍流强度的影响。所以，设法提高近壁面区域的径向速度与增大近壁面流体湍流度，是强化缩放管内的湍流对流传热的主要途径。2．2金属泡沫管强化换热金属泡沫管是一种新型的多孔材料，是采用烧结等工艺将金属泡沫与金属管壁紧密结合而形成的新型强化换热管，是一种高孔隙率的特殊多孔介质。这种管的管内孔隙率、孔密度、导热系数比和雷诺数等不同参数对流动和换热都有不同程度的影响，李盈海等[6]研究表明:金属泡沫可以大大减薄边界层的厚度，使截面流体速度分布十分均匀，截面温差也很小。泡沫管的平均Nu数随孔隙率的减小或孔密度的提高而增大，随流体和固体导热系数比的减小而增大。当系数比＞0.1001时，采用低孔密度的金属泡沫既可以强化换热，同时也可以大大减小压降。采用金属泡沫管可以大大强化传热，但相对同时管内流体阻力增加也会很多。2．3带交叉肋方形截面通道换热一直以来人工粗糙元被认为是强化换热的一项有效的技术。通常，粗糙元是一些小的凸4起物，按照一定的角度，周期性地布置在需要强化换热的换热面上。粗糙元能使流体的流动形成湍流而强化换热，同时也会引起阻力增加。为了不使阻力增加过多，应使湍流脉动限制在靠换热面很近的地方，也就是在边界层内。带交叉肋方形截面通道就是利用这个原理通过内置粗糙元以达到管内强化换热。针对交叉布置肋条和平行布置肋条强化效果比较，邓斌等[7]进行了交叉布置肋条的换热研究，结果表明交叉布置肋条布置角度越大，高度越高，换热增强，但阻力也相应增大。取45°肋条的综合换热效果较好。同时总结得出，在Re较低时，交叉布置的肋条通道较平行布置的肋条有一定的强化换热效果，但在高Re下并无优势。2．4纳米流体强化换热自从发现“Toms效应”并被证明在液体湍流中添加少量的添加剂会影响流体传热后，高分子聚合物和某些表面活性剂经常被用作纳米流体添加剂来使用[8]。1987年蔡国琰等[9]的流体黏弹性对湍流流动与传热的影响的研究发现，黏弹性会降低流体的换热性能，黏弹性对换热系数的影响与普朗特数和雷诺数有关，随着普朗特数增加，黏弹性影响加强，随雷诺数增加，影响变弱。根据国内外的研究表明，表面活性剂的加入使湍流在减阻的同时对流换热系数也大幅度降低。另一方面也发现，表面活性剂溶液具有剪切可逆性及温变可逆性，利用该性质可以对其湍流的对流换热进行控制。总之，在流体中加入纳米材料后流体的对流换热系数明显提高，随着雷诺数的增加换热系数还呈线性提高[10]。因此，添加纳米材料也是强化流体换热的一大途径。2．5高压电场强化换热电场强化换热以其非常小的能耗取得相当好的强化效果，有着诱人的应用前景，20世纪70年代以来，国外研究者在该领域内进行了大量的基础性研究，并逐渐进行应用性研究。电场对流体换热主要有四个方面的影响，焦耳热、库仑力、介电泳力和电致收缩力，在绝缘性流体中焦耳热远小于其它三项的影响，故库仑力、介电泳力和电致收缩力为主导因素影响着电场对流体换热。有机流体在外加直流高压电场的作用下，电场能对管内层流强制对流换热起着很好的强化作用。利用高压电场目的是增加在管内层流流动的流体的紊乱程度，变层流为湍流。刘振华等[11-12]在气体和一般低黏度的有机流体的研究基础上，再对高黏度的油在高压电场强化管内强制对流换热的实验研究表明，外加高压电场能对管内层流强制对流换热起着很好的强化作用，并得出其换热系数强化率主要与外加电场强度及热通量等因素有关。因为在相同传热面积和泵功条件下，换热系数强化率随着外加直流电压几乎呈指数关系变化，在较小的外加电压下，对流换热强化率较低，而且强化率基本不随高温通量而变化，相对地在较大的外加电压下，换热强化率较高，但是随着热通量的增大，强化率也有很大影响。所以外加直流电压的提高换热强化率有良好的综合强化效果。2．6旋转流体强化换热应用流体旋转法也是流体管内强制对流换热的有效强化方法之一。目前国内外在研究旋5转流体都普遍采用滚压成型的螺纹槽管，增加旋转流体的流动路径，使管内流体发生旋转运动，增加贴近壁面的流体速度，同时还可改变整个流体的流动结构，使流体在管内停留时间延长，加强边界层流体的扰动以及边界层流体和主流流体的混合，因而使传热过程得以强化。但是，并不是螺纹头数越多就能达到越好的换热效果，一般螺纹头数不宜超过3头，同时螺纹高度也不宜过大，应控制在h/d=0.03～0.04左右[13]，式中h为螺纹高度，d为直径。因为在相同Re数时，单头螺纹主要使边界层流体旋转，而多头螺纹能使边界层流体和主流体一起产生强烈的旋转，使流动缓慢的边界层流体旋转有利于强化传热。2．7微结构强化换热当今微电子、微能源以及生物芯片等行业对微型的高效换热器有着迫切的需求，从而带动了利用微结构对微型换热器进行强化换热的研究，其中以微通道最为常用。唐