第4章传热学无源强化.

中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20第四章对流换热的无源强化•无源强化技术不需要附加设备和附加动力，工作可靠，应用最多。•通常随着对流换热的增强，传热介质的压力损失和唧送功率也将迅速增加。•按照不同对象和要求选择简单、经济、高效的强化传热方法。•分为整体强化传热表面（用机械加工、电化学腐蚀或者焊接各种扰流元件或多孔体所构成）和插入物、旋流、添加物、射流等。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/204.1管内插入物对传热的增强•在大容器中使用的搅拌方法在管内不易直接使用；•通常利用静止的流体混合装置，即利用各种管内插入物使流体产生径向流动，从而加强流体的混合、促进管内流体速度和温度分布的均匀并获得管壁与流体间较高的对流换热系数。•由于流体二次流动和摩擦面积的增加，将使流体经过含插入物管子时的压力损失和泵功率大大增加。•节省的机械功率可以补偿泵功率，且没有机械转动部分，工作非常可靠。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20•混合元件：–沿管长装满丝网多孔体或金属螺旋刷；–Sulzer静止混合器；–扭曲叶片；–Kenics静态混合器；–扭曲带中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/204.1.1含扭曲带管内的流动及传热特性•结构最简单•S为节距，是扭转180度的轴向长度，D与管内径相等。•扭曲比y=S/D•扭曲比越小，扭转程度越高，流体在管内的压力损失和换热系数也越大。SD适合于层流运动，如果是湍流，流体主流部分的混和本来就比较强烈，扭曲带的增强作用就低得多。而阻力损失很大，不合算。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20（1）阻力系数•含扭曲带圆管的水力直径71.1/hDD•管内放置1根直条时•取δ/D=0.0561.1ee623.0/2-2ππee000RRDRR•管内含直条时与空管的速比平方为14.14-ππ22020DDAAuuDDDDDUAD/2-2π4-π2-2Dπ)-/44(π42hDDDDDuDuRRh/2-2π4π4ππee0中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20•压降•管内含直条时的压降与空管压降之比•管内含扭曲带时由于径向二次流的存在以及流动途径的增长，阻力损失更大。•有经验公式计算。22huDLp14.314.171.161.120h00uuDDpp中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20（2）传热系数•Lopina-Bergles经验公式计算含扭曲带管内湍流运动•流体被加热时•松配合F=1;•紧配合F=1.25•流体被冷却时可见对湍流强化很有限例如：松配合，扭曲比y=2和3，流体冷却情况下，换热强化比分别=1.33和1.133.04.08.02rr12.0r2π1e023.0uPGPyRFN4.08.02r2π1e023.0uPyRFN中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20•对层流换热作用比较显著。•水和乙二醇乙烯为传热介质的含扭曲带管内层流换热经验公式为35.0622.0re/338.0uPyRN绝大多数实验点的偏差在±25%以内Re/y10后，与空心管相比，换热系数可增大2~10倍。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20扭曲带置于管子进口部分•扭曲带可以只置于管子进口部分。•流体离开扭曲带后由于惯性仍然保持旋转状态，但强度逐渐衰减。•换热效果差一些，约降低20%；但阻力损失也减小约85~100%。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20扭曲带在内翅管中的复合传热•既用内翅增加传热面积，又使扭曲带增加对流换热系数。•马达油在含扭曲带的内翅管中换热和阻力试验的结果。•在等壁温加热或冷却时，流体的换热经验公式为：•含扭曲带的内翅管比空心管优。•当马达油被冷却时，呈现层流运动的特性，阻力系数与Re成反比；被加热时，近壁处流体粘度降低，阻力系数明显下降，呈现某种湍流度的影响，即阻力系数与Ren成反比,n1。•相同泵功率下，流体被加热时的换热系数比冷却时要高。11.0-w35.0-4.00.56)/(re222.0uyPRN中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20扭曲带置于粗糙管内的传热特性1.光管＋扭曲带2.粗糙管＋扭曲带3.粗糙管4.光管1优于2中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/204.1.2Kenics静态混合器•扭曲带做成一段左旋，一段右旋，后段扭曲带的前缘与前段扭曲带的后缘错位90度相焊接，交替连接成串。扭曲比y=1.5~2。2-433.0-6.0-1/3567.0e207re506.0uyRyPRN625.0-14.0-w1/3583.0e58)/(re41.0uRPRNGenetti公式:中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20•圆管内的层流换热，Sieder-Tate公式：•层流条件下，与空心管相比，相同泵功率下含静态混合器流道内的换热强化比：•对于y=2,Re=200~2000时,Nu/Nu0值在等泵功率下为1.83~2.79。4177.0-567.000e933.0uuyRNN1/30r)e(4875.0uPRN中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20算例•传热介质：氟利昂113•装有的Kenics静态混合器的垂直管•Re=1000~5500,实验管内径12.7mm，y=1.5•6种布置方式：①沿加热管全长装满50个混合元件②沿加热管均匀布置25个混合元件，并用不锈钢丝相连，元件之间距离相同③沿加热管上游段布置25个混合元件④沿加热管上游段布置12个混合元件⑤沿加热管上游段布置6个混合元件⑥沿加热管上游段布置3个混合元件中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/204.1.3自由旋流对换热的强化•用进口处的涡流发生器使流体在传热管中发生自由旋流，从而增强传热过程。•涡流强度沿着流程是逐渐降低。•涡旋强度用管内旋流角动量Mθ与轴向动量Mx之比表示R02R02x0d2d2rruRrruuRMMS在自由旋流中，流体的摩擦系数f可从测得的总切应力τ求得2R2uf中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20Lc滑动气室长度，反映初始涡旋强度中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20θ壁面涡流角θ0初始壁面涡流角97.0-0e/483-expRDx中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20•随着壁面热流密度q值的增加，等泵功率下的自由涡旋换热强度比也随之增加，但是Nu/Nu0沿管长的衰减率也随q值的增长而加快。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/204.1.4螺旋管内的换热规律•螺旋管换热器因制造简单并有较大的换热系数，因此在工程上有广泛应用。•流体在螺旋管内会形成2个对称的涡流。Dd•流体在螺旋管内流动时受到离心力作用，流体从管子中心部分由螺旋管内侧流向外侧壁面，造成内侧低压区，在压差作用下流体从上部和下部壁面流回内侧。•流体的这种二次流动与轴向主流复合成螺旋式的前进运动。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20螺旋套管式换热器中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20•Dean准则•是决定螺旋管内流动相似性的唯一因素，其物理意义是流体作圆周运动时引起的离心力与粘性力之比。•螺旋管内流体温度分布•螺旋管内侧换热系数较外侧的低。•临界雷诺数(适用范围0.0012≤d/D≤0.067)DdRDen内侧外侧32.04cr102eDdR中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20•层流运动时传热强化比Nu/Nu0随Dn数增加而增大；•而其它方法一般是随Re数减小而效果愈加显著。内侧外侧•流体Pr的影响也与其它方法不同，像空气这样Pr不大的流体在高Dn螺旋管中竟然会有良好的增强传热作用。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20•螺旋管内湍流运动时的对流换热强化比最大只有1.1~1.26•在壁面高热流密度时，液体产生过冷沸腾，离心力使蒸汽泡集中到螺旋管内侧壁面上，这将不利于汽泡脱离，使临界热流密度qcr降低。质量流速愈高、比值d/D愈大，qcr也愈低。•螺旋管内的质量沸腾的比直管更高。且随着d/D值及质量流速的提高而增加。在G≈1000kg/(m2s)时，qcr达到最大值，然后随着G的增加而逐渐下降。液态金属除外(其强化比很小)中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/204.1.5添加物对流体传热的影响•添加物有在工艺过程中自然形成的，也有为了满足某种需要而故意加入的。如催化剂、减阻剂。•例子：–流化床：固体粒子浓度极高的气-固悬浮体，用于工艺、生产及煤粒燃烧。–气体中喷入雾状水滴以增强气冷表面的传热效应；–液体中加入气泡或某些溶剂以增强换热；–液体中掺加高分子聚合物、纤维或固体微粒以降低流动阻力等。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20•传热增强幅度主要取决于传热流体能否在壁面上形成液膜。在较低壁温下混合流中的水份可能渗透、凝聚到壁面上，取代气体边界层，构成水膜内边界层，气水边界层在水膜外面。由于水膜传热能力比气膜高得多，因此换热系数有很大增加，最高可达30倍。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20•换热强化主要集中在圆柱体的前半部；•后半部由于水膜脱离及没有水滴冲击，换热系数大为降低，并与水份含量M和位置关系不大。前缘后缘中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20•M－水份含量•NuL平均值随Re数和M的增加而不断增大。•例：Re=3×104,M=0.04,查得NuL=67,水在40℃时λ=0.633W/(mK);气-水雾状流换热系数αL=42.4/D.•对于单相气体传热可得αg=2.72/D,雾状流比单相气体传热提高15倍。而从圆柱体前半部的换热增强则可达几十倍。3/1618.0gggre193.0uPRDN中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20•雾状流对单相空气的换热强化比α/α0的实验结果：图3-24•利用水－气雾状流冷却半导体器件可比空气在平行平板中的换热系数提高20倍；•在冷冻系统或凝汽器中利用水膜蒸发来增强空气侧的传热，以减小体积或冷却系统功率消耗。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/204.1.6流化床与埋管间的传热•流化床原来用于石油化工企业的各类反应器中。为了取走反应中产生的热量或者输入进行反应所需要的热量，在流化床的固体粒层中埋入传热管束。多年来有着流化床固体粒层与埋管间传热的研究和运行已积累了大量的资料。•流化床燃煤锅炉：由于煤粒在流化床中剧烈翻腾而引起流化床与埋设的锅炉管之间的换热系数猛升，因此传热管数目可以大为减少，从而缩小炉膛体积和提高炉温，并能使用普通炉子无法燃烧的劣质煤。•因掺入石灰石而消除燃煤中的含硫成份，改善环境。中国南京能源与环境学院强化传热技术2019/12/20•当气流速度增加到能吹起固体颗粒而形成悬浮体时就成为流化床。这里颗粒重量为流体作用于颗粒的压差所平衡。•流态化开始时的气流速度称为临界流态化速度umf；此时流化床的孔隙率称为流化床的起始孔隙率εmf。•在流化床中固体颗粒比气体重几千倍，气流只有在较大压差下才能吹动颗粒，需要有较高的umf值。在固体颗粒层中产生的气泡猛烈扰动颗粒，使悬浮的粒子在容器内剧烈翻滚，与垂直或