强化传热文献综述

华北电力大学研究生结课作业学年学期：2014—2015第二学期课程名称：强化传热学生姓名：学号：提交时间：2015.3.26强化传热文献综述摘要：研究各种传热过程的强化问题来设计新颖的紧凑式换热器，不仅是现代工业发展过程中必须解决的课题，同时也是开发新能源和开展节能工作的紧迫任务，因而研究和开发强化传热技术对于发展国民经济的意义是十分重要的。本文主要总结了管内强制对流换热和强制对流沸腾换热、管束中强制对流换热、大容器沸腾换热和凝结换热的强化方法。以及管壳式换热器和管内置扰流元件的强化传热的研究进展。关键词：强化传热；粗糙表面法；扩展表面法；扰流元件；机械强化法;静电场法引言工质的流动和传热在动力、核能、制冷、化工、石油乃至航空、火箭和航空等工业中是常见的。这些工业的换热设备中广泛存在着各种传热问题。以动力工业中的火力发电厂为例，蒸汽锅炉本身就是一个大型复杂换热面。燃料在炉膛中燃烧生产的热量，需要应用多种传热方式，通过炉膛散热面、对流蒸发受热面、过热器及省煤器加热工质，是工质汽化、过热成为能输往蒸汽轮机的符合要求的过热蒸汽。此外，在锅炉尾部还装有利用排出烟气加热燃烧所需空气的空气预热器。在电厂的热力系统中还装有各式给水加热器、蒸汽凝结器、燃油加热器等。在这些设备中也都存在各种各样的传热问题。换热器的合理设计、运转和改进对于节省资金、能源、金属和空间而言是十分重要的。1强化传热的目的和意义1.1目的减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；减少换热器的阻力，以减少换热器的动力消耗。1.2意义研究各种传热过程的强化问题来设计新颖的紧凑式换热器，不仅是现代工业发展过程中必须解决的课题，同时也是开发新能源和开展节能工作的紧迫任务，因而研究和开发强化传热技术对于发展国民经济的意义是十分重要的。2换热器中强化传热的途径及分类2.1途径：增加平均传热温差；扩大换热面积；提高传热系数。2.2分类从被强化的传热过程来分，可分为导热过程的强化、单相对流换热过程的强化、沸腾传热过程的强化、凝结传热过程的强化和辐射传热过程的强化。从提高传热系数的各种强化传热技术来分，可分为有功技术和无功技术两类。有功强化传热技术包括：机械强化法、振动强化法、静电场法和抽压法等。无功强化传热技术包括：表面特殊处理法、粗糙表面法、扩展表面法、装置强化元件法和加入扰动流体法等。3提高传热系数来强化传热的技术3.1单相流管内强制对流换热的有效强化方法使管内流体发生旋转运动。流体发生旋转可是贴近壁面的流体速度增加，同时还改变了整个流体的流动结构。在采用各种有效的使流体旋转的措施后，增加了旋转流体的流动路径，加强了边界层流体的扰动以及边界从流体和主流流体的混合，因而使传热过程得以强化。具体可行的方法有：在管内插入各种可使流体旋转的插入物，诸如纽带、错开纽带、静态混合器、螺旋片以及螺旋线圈等；在管子内壁上开设内螺纹；采用滚压成型的螺旋槽管和在管壁上带螺旋内肋片的内肋管。3.1.1扭带插入管内的扭带和流体相互作用会引起旋转流体中生成复杂的二次流漩涡现象。同时还会出现边界层中流动缓慢的流体和流核区流体相互混合的现象。这些现象无疑将使流动阻力增大。我们将这一附加阻力增量称为旋转流体的漩涡流动损失。管内插入扭带以强化传热的方法存在一定的缺点。当换热器管子中采用插入扭带的方法来强化传热过程中，常须消耗大量钢板。此外当Re数增大时，采用扭带插入物的强化传热效果将减小。再者，扭带插入管子后，将管子通道分隔成两部分。当这种管子用于脏流体时，易造成管子堵塞。3.1.2螺旋片和螺纹槽管在管内插入螺旋片和采用压制而成的螺纹槽管以强化传热，就可以改进这些缺点。螺旋片的宽度h和螺纹槽管的螺纹高度比管子内直径小得多，所以制造所需金属量要比纽带少得多。螺旋片插入物和螺纹槽管的强化传热机理，是同时应用了使流体旋转和使流体周期性地在螺旋凸出物区域受到扰动的原理来强化传热，所以能保持较高的传热强度。对插有纽带管子的紊流强度分布进行的测定表明，管中近壁区的紊流强度较弱。因而，要强化传热主要应使这一区域中的流体发生旋转，以增加其紊流强度而不需使全部流体旋转。纽带的作用是使全部流体旋转，因而阻力较大。流体在插有螺旋片的管子和螺纹槽管中流动时，流体的旋转主要发生在强化传热所需要扰动的近壁区域。因而与插有纽带的管子相比，在高雷诺数时，这两种管子能在低阻力损失情况下，保持和插有纽带管相近的传热效果。3.1.3螺旋线圈或静态混合器在管内插入螺旋线圈或插入静态混合器也可有效地增强传热效果。螺旋线圈由直径为3mm以下的铜丝或钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。静态混合器是由一系列串联布置的左、右扭转180度的短扭转元件组成。每一原件的前缘与前一元件的后缘互成90度接触。每一元件扭转180度，其长度和管子内直径的比为1.5。前一元件为右旋，后一元件为左旋。各元件互相焊成一体插入管内构成一种强化传热管。在插有螺旋线圈的管子中，在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以是传热强化。由于绕制线圈的金属丝直径较细，流体旋转强度也较弱，所以这种管子的流动阻力相对较小。螺旋线圈自身所起的肋片传热效应不大，可略而不计。关于静态混合器强化传热的机理，现在一般认为是这样的，流体流入第一个元件时被分为两股，各自在相应的半圆形流道内作旋转运动。当流体流到下一个元件时，这两股流体再次被分隔。由于下一个元件的旋转方向相反，因而使流体质点沿流程交替地由管子中心流向管壁以及按相反的方向流动。在这种流动过程中，流体经过反复不断的分割和正反方向的旋转使流体得到均匀的径向混合。这种流动过程中，流体经过反复不断的分割和正反方向的旋转使流体得到了均匀的径向混合。这种流体方式有效地加强了主流和近壁区域的径向混合，减小了流体在径向的温度差和速度差，从而强化了传热。3.1.4内肋管采用内肋管也可增强换热量。应用内肋可起到两个作用，一是提高管内工质到管壁的换热系数；另一是降低管壁温度。直的内肋管不扰动管内的流动，螺旋内肋管中的流动工况和螺纹槽管的相似。管内存在肋片后，由于湿周增大，所以通道截面的当量直径减小。由于当量直径的减小和内壁换热面积的增大，使直内肋管的换热系数高于光管的。因而在相同的换热量时，与光管相比可保持较低的管壁温度。螺旋内肋管也同样具有这样的作用。3.2单相流体在管束中的强制对流换热的强化在各种换热器中，管子的排列方式一般有两种：顺列和叉列。流体流过管束的基本方式也有两种，当流体流动方向和管束轴线平行时，这种流动方式称为纵向冲刷；当流动方向和管束轴线垂直时，则称为横向冲刷。横向冲刷的流动工况和传热工况比较复杂，收到管束排列方式、管子间距大小和沿流动方向上管子排数的影响。当流体横向冲刷顺列管束时，从第二排起，每排管子正对来流的一面位于前排管子的漩涡尾流内，受到流体的冲刷情况较差。而管子与管子之间（垂直流动方向上）的流体却受到管壁的干扰较小，流动方向较稳定。当流体流过叉列管束时，各排管子受到的冲刷情况大致相同。各处流体混合情况较顺列时有所改善，因而平均换热系数一般比顺列的高。3.2.1人工粗糙度单相流体管束传热的较实用强化方法为采用扩展换热面及在管子外壁上增加人工粗糙度。采用合适的扩展表面后，可以提高换热器的换热量，降低换热器的壁面温度，使换热器价格下降，因而在换热器中扩展换热面得到广泛应用。暖气设备上的散热片、发电机气体冷却器中的肋片管、汽车上的散热器、大型锅炉中的肋片管以及其它工业换热器中应用的各式肋片管均属此列。在管子外壁覆盖方格铁丝网或绕上金属丝等，都可增加管束的换热量。3.2.2横纹槽管应用横纹槽管可以强化纵向冲刷管束，且有以下优点：1、横纹槽管不像外肋管那样会增加管子的周向尺寸，从而使管子难以布置紧凑，横纹槽管可用于紧凑式换热器；2、横纹槽管在管内形成周向突出物，可同时加强管内换热；3、制造及装配工艺简单。3.2.3周向肋片管横向冲刷周向肋片管管束的传热效果与光管管束的相比是显著的。对于顺列管束而言，有相当一部分肋片换热面处于低速漩涡区。因而顺列周向列片管束的平均换热系数较低。在漩涡区和死滞区外面，尤其在肋尖处流速较高。因而在顺列管束中，在低速漩涡区和死滞区流体迅速受热，温度较高，而在流速较高处，则流体温度较低。这两种流体混合不良。在叉列周向肋片管中，流体混合情况就好得多，因而传热效果也好。3.2.4鳞片管和膜式管束应用鳍片管束可以减小部件尺寸，减小价格较高的承压管子金属消耗量。管内的水阻力和管外的烟气流动阻力也相应降低。鳍片管的排列，可以是顺列，也可以是叉列的。前者用于烟气温度较高的污染流体中。顺列管束不易结渣，单传热效果不如叉列管束，所以用得较少。鳍片管结构简单，宜于在含灰的锅炉烟气中使用。鳞片管的主要缺点为背向来流的鳍片传热效果不好，而且在锅炉中应用时，管束的支撑需要专用的耐高温的支撑设备。因而随后又发展了膜式管束结构。在膜式管束中，各种纵向外肋片将管束中每列管子整个焊成一片。扰动型膜式管束用皱纹膜片和管子相焊，以便增强流体扰动，改进传热。带假管的膜式管束试图进一步减小承压管子的材料消耗量。透镜型膜式管束试图进一步减少烟气流动阻力。在实际工程应用中，平膜式管束因其结构简单，运行可靠而应用最广。3.3单相流体对流换热的其它强化方法用有功强化传热技术来强化单相流体作自然对流以及强制对流时的传热。此类方法都需要应用外部能量来达到强化传热的目的，其中包括有：机械搅拌法、换热面旋转法、振动强化法、电场法、加入添加剂法以及抽压法等。混合容器中单相流体的换热主要是自然对流换热、换热系数低，温度分布很不均匀。因而，如何强化容器中的换热是一个重要的工业生产问题。较大的工业容器一般应用机械搅拌法进行强化传热。如容器中的工质为低粘度液体，一般采用高速小尺寸机械搅拌器，此时，搅拌过程将在高雷诺数的紊流状态下进行。如容器中的工质为高粘度液体，应用小尺寸的搅拌器一般效果不大。于是，通常应用低速锚式和螺旋式搅拌器。这些搅拌器的直径比容器直径略小，在搅拌器和容器壁之间存在一小间隙。螺旋式搅拌器与锚式搅拌器相比，具有使顶部和底部流体加强混合的优点，但制造价格较贵。采用者两种搅拌器时，在容器壁上都不需装肋片。此外，在采用螺旋式搅拌器时，常难以应用螺旋管换热设备，一般常应用容器夹层换热设备。利用振动强化单相流体对流换热的方法可分为两种：一种是使换热面振动以强化传热；另一种是使流体脉动或振动以强化传热。研究表明，不管是换热面振动还是流体振动，对单相流体的自然对流和强制对流换热都是有强化作用的。在流体中加一静电场以强化单相流体的对流换热是一种有吸引力的强化传热方法。这种方法对气体和液体的自然对流和强制对流都能产生一定的强化传热效应。在静止的流体中加上足够强度的静电场后，会促进流体流动，形成一股所谓的电晕风。这股电晕风在一定条件下恩能够强化单相流体的对流换热。在流动液体中加入气体或固体颗粒；在气体中喷入液体或加入固体颗粒，都可起到强化单相流体强制对流换热的作用。这些强化传热的方法统称为添加剂法。另一种强化传热的方法称为抽压法，多用于冷却受到高温作用的空心叶片的场合。此法是使冷却介质通过抽吸或压出的方法经叶片或管道的多孔壁面流出。这种冷却方式可以使换热系数大为增高，使金属壁温保持在适宜的水平。3.4大容器沸腾换热强化方法有表面粗糙法、表面特殊处理法、扩展表面法、添加剂法、机械搅拌法、振动法、静电场法和抽压法等。强化传热的目的在于增强换热、提高换热系数。3.4.1表面粗糙法应用表面粗糙法能有效地强化汽泡状沸腾换热过程，但要注意强化效应的持久性问题。增加粗糙度能使沸腾换热系数增高，但有一极限粗糙度，超过此值后，换热系数不再随粗糙度增加而增高。此外，增加粗糙度并不能提高临界热流密度的数值。由于影响表面粗糙法的因素很多，因而至今还无法确定一种最优的粗糙壁面，还需作进一步的研究。3.4.2内凹穴在表面凹凸不平的换热面上汽泡最易在表面的圆