第5章管内强化传热学

中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18第五章管内壁面扰流强化传热•管内粗糙元、扰流子、管内翅片等•处理表面：铸造、热轧、冷作、烧结金属丝网、机械加工、电化学腐蚀等方法形成多孔表面、或锯齿形表面。5.1壁面扰流强化传热机理•管内湍流热流密度yTcq)-(hp•在近壁部分，厚度为0.05R范围内的εh平均值不到其最大值的10%，传热主要依靠分子导热来实现。因此边界层中的热阻要占总热阻的70%左右。如果在传热壁面上设置扰流装置以增加近壁处的εh值，就可大大降低这部分热阻，从而使换热系数有大幅度的提高。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18•对于湍流如果采用扭曲带等插入物，由于主流部分εh的平均值已经很高，且中心部分的q值比壁面上的低得多，因此主流部分的温度降的减小是很有限的。所以在湍流状态下，应该采用壁面扰流装置，而不是管内插入物。•Pr数较大的流体采用近壁扰流装置的收益较大。•壁面扰流装置的种类众多，但机理大同小异，都是当流体经过这些扰流装置时产生流动脱离区而形成强度不同、大小不等的旋涡，增强了近壁区的湍流度，从而提高液体与壁面间的对流换热系数。大涡周期性抛出流体，并从主流引入补充流体，构成肋间流体与主流之间的质量与能量交换粗糙肋节距足够大时，肋的前后都形成一大一小旋涡，流体在2个脱离区之间与壁面接触，是换热最强烈区。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18•如果粗糙肋的节距过大，流体经脱离区达到传热面后，由于没有得到后面粗糙肋及时的继续扰动，在传热面上将形成层流底层并逐步增厚，传热效果降低；•而s/h≤5,流体经粗糙肋时发生的旋涡不能充分发展，涡旋强度减弱，难以考虑到增强传热作用。•最佳的s/h大体在7~10之间。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18粗糙肋的最佳形状及几何参数①螺旋肋与重复肋的传热性能接近，而前者加工更为方便。对粗糙肋而言，它与管子轴线成50~60度时的强化传热性能指标最高。②在粗糙肋端部表面上有很细凹槽（二次粗糙元）时可使阻力下降6~8%;③粗糙肋宽度的增加将使流体的阻力及换热强度下降，而阻力下降得更快些；④粗糙肋端部沿流向作成下倾斜面，也能使流体经过粗糙肋时的阻力减小；⑤粗糙肋端部及根部作成小圆弧形，可以改善粗糙面的传热性能；⑥当粗糙肋节距较大时(s/h10)，如果在肋间表面上加设沟槽，可以使传热性能得到进一步的提高。1/300)/(uu/ffNN中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18三维粗糙元与二维粗糙肋•通常，连续的肋或槽都属于二维粗糙元，流体流过这类粗糙面时，沿高度和流向的速度是变化的，形成二元流动。•如果粗糙肋或槽沿横向是断开的，于是这些粗糙元就变成一个个独立的突起物或凹坑，流体经过时形成三元流动。St与Nu一样也反映换热系数h的作用。uρchSpt中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/185.2碾轧槽管的传热性能与流动阻力•轧槽管是一种性能优良且较容易加工的粗糙元形式。•从圆管外面按照设计要求碾轧出一定节距和深度的横槽或螺旋槽，在管子内壁就形成凸出的横肋或螺旋肋。•可同时对管内外两侧流体起到增强传热的作用。•管内形成的扰流元件是端部呈半圆形而根部为圆弧形的连续肋，有助于减小阻力和提高换热系数。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18横槽管•内径为13.8mm的黄铜管上碾轧h/D=0.025~0.11,s/h=9~45的16种横向轧槽管，以空气做试验。•换热系数随h/D的增大而变小，但s/h的最佳值增大。•h/D的最佳值大约在0.03~0.04。•更大的h/D值能够使换热系数进一步提高，却会引起过大的阻力损失。•管外半圆形凹槽的传热性能也可比光管高出30%~50%.中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18螺旋槽管•在s/h7,Re≥104及Pr≥0.7情况下，h/D=0.037时达到St数的第一个最大值。•在s/h7及h/D不是很大时，换热系数总是随着h/D和h/s的增大而加大；传热面积F随着参数h2/(Ds)的增大而减小。•应用螺旋槽管对于Pr数高的流体得益较大，h2/(Ds)0.6后趋于水平，可见过分增大螺旋深度h值是没有意义的。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18•单程螺旋槽管的螺旋角β并不是独立的，它是s/h和h/D的函数。)/)(/(tantan1-1-DhhssπD•螺旋角β可以用来反映s和D的相对关系。•β值越大，(越接近横槽管)则其传热性能指标就越高。1/300)/(uu/NNw**uhuh无量纲厚度(粗糙雷诺数)：切应力速度：中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18•由于轧槽方法不同，材料性质的差异都影响螺旋槽管的性能，而管内半圆形突起物的具体尺寸又难以测量，任意选用他人的经验公式往往会导致较大的误差。•对于一般二维或三维粗糙管，其流动阻力的增加率往往超过换热系数增加幅度。但对于螺旋槽管，在h/D≤0.022时，可以实现换热系数增加的幅度超过阻力系数。但其换热强化比一般不超过2。•轧槽管对于管内流体的膜态沸腾换热可增加3~8倍；对于泡核沸腾换热强化比为1.8~4倍；对于过冷沸腾只能增加30~40%。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18应用•冷凝器：同时增加管内冷却水和管外凝结蒸汽对管壁的换热。对管内冷却水的传热可增加2.5~3倍，对管外蒸汽凝结换热系数能提高2~3.4倍。美国通用油品公司采用螺旋槽管作为电厂冷凝器传热管，使冷凝器内管数减少15%，长度缩短44%，节省总传热面积30%，设备投资费用下降近10万美元。•螺旋槽管用于火管锅炉管内烟气传热，使锅炉钢材消耗量下降一半。•螺旋槽管用于余热锅炉，换热系数1.5增加倍，阻力增加2倍。•轧槽管外壁的凹槽还能减少管壁上的盐分沉淀，不易结垢。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/185.3带内翅片圆管内的对流换热•由于管内空间有限，翅片高度和翅片数目都受到很大限制，因此翅化率Ff/Fs比外翅管要低得多。•管内翅片在存在不仅在一定程度上增加了传热面积，而且也较大地改变了流体在管内的流动型式和阻力分布。•湍流运动时，需要比较相同泵功率下各种内翅管的换热系数，作为评价准则。•层流运动时，流体的换热准则Nu与Re无关。•湍流运动时，直翅片的存在将使流体运动的湍流强度减弱，因而引起换热系数的下降；而层流运动时，不会产生这种情况。•流体在内翅管中流型及湿周的变化都与翅片有关，即与翅片形状、高度、数量、螺旋角等有关。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18•内翅管(管内翅片为轴向或带扭角)翅片数较多(8个以上)、翅片高度较大的内翅管既适合层流流体，也适合湍流流体的传热强化。•特点：–使管子内表面的换热面积增加；–高度较大的若干翅片的存在，将管内液化分成多个当量直径较小的通道，有利于提高流体的换热性能；–翅片的存在改变了管内流体的速度场，使管内出现2个高速流体中心，一个存在于以各翅端为外径的中心区域，另一个存在于各相邻翅片之间的翅间空间。两者相互作用，使管内出现强化翅片换热的二次流。–相对于其它强化管内传热的方法，内翅管的流阻较低。–强化比可达1.6~1.9。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/185.4内翅管与扭带复合强化传热•层流：方案1的换热性能最优，在相同功耗下，当流体加热时换热量是光管的3倍；冷却时为4倍。可见内翅管与扭曲带复合强化的效果十分明显。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18湍流•工业锅炉的铸铁空气预热器，内翅管与扭曲带复合中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18内翅管与1号扭带复合最佳内翅管与1号扭带复合比光管高1.4~1.7倍内翅管比光管高0.6~0.9倍中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/185.5螺旋槽管与扭曲带的复合强化技术中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18层流区中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/185.6螺旋槽管与进口旋流器的复合强化技术•进口旋流器所产生的流体旋流强度在旋流器出口处最强，然后逐渐衰减，换热系数和摩擦阻力沿管长也逐渐下降。适合短管。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18•螺旋槽管的换热系数可达光管值的2~2.2倍，阻力系数可达3.5~4.5倍。•叶片扭角较大的2号旋流器与螺旋管复合时，换热系数的数值最高，为光管值的3~3.6倍，但阻力系数也最大，为光管值的8~9.6倍；•叶片扭角较小的1号旋流器与螺旋管复合时，换热系数的数值最小，为光管值的2.6~3.3倍，但阻力系数也小很多，为光管值的5.2~6.3倍。•综合性能，1号旋流器与螺旋管复合方案的性能评价指标最高。•比较3号和4号可得，同向复合传热效果和阻力系数都较低。综合性能是旋向相反的较好。•交叉螺旋槽管的换热系数和流动阻力都稍有提高，综合性能大体相当。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/185.7(扭曲)椭圆管换热器的强化传热•薄壁椭圆管拧成节距为s的扭曲管，两端仍保持圆形。•相邻传热管的扭曲线保持点接触，起着管子间互相支撑作用，以减小或避免管子的振动，同时又减小换热器体积，增大管间流速。5.7.1流道形状对流动和传热的影响•层流：直圆管内–等热流：Nu=4.36–等壁温：Nu=3.66–两者的流动阻力：f=64/Re中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18•环形、偏心环形、矩形、三角形：不能用当量来统一不同截面流道换热和阻力的计算公式。•湍流：对于非圆形流道，工程上可以用当量直径来作特征尺寸，采用圆管的计算公式即有足够的精确度。但是对于三角形等截面因其尖角处的Re相当高时仍出现层流，故误差较大。要有专门公式。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/18•交叉梯形波带华南理工大学发明的一种静态插入物，由二三条梯形波浪带交叉组成，两条波带在垂直中心线轴上交错成弹性波带，通过引导和置换流体产生扰流但不产生离心力，依靠波浪斜板使中间流体移置壁面，壁面流体移置中间，促使边界层产生扰流，它同时具有边界层分离和切割功能，特别适用于高粘度和超高粘度的流体强化传热。5.8内插物5.8.1交叉梯形波带中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/185.8.2Hitran丝网内插物Hitran丝网内插物Hitran丝网内插物是英国CalGavin公司近年来开发的新产品，呈花环状，是一种金属丝翅片管状元件，可使流体在低流速下产生径向位移和螺旋流相叠加的三维复杂流动，可提高诱发湍流和增强沿温度梯度方向上的流体扰动，在不增加阻力的条件下可大大提高传热系数。管程传热效率可提高25倍（对液流）和5倍（对气流）。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/185.8.3金属丝制绕花丝多孔体•金属丝制绕花丝多孔体金属丝制绕花丝多孔体是清华大学等单位利用多孔介质弥散效应开发的一种金属丝制元件，相当于空隙率ε95%多孔体，在低雷诺数下，由于弥散流动促使流体形成湍流，从而强化传热。由于该元件空隙率大，因而其沿程阻力系数较一般的多孔介质内插物低得多。