管內(nèi)對流換熱影響因素及其強化分析

1、管內(nèi)對流換熱影響因素及其強化分析摘要:從影響管內(nèi)對流換熱的因素出發(fā)，對近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究成果進(jìn)行了綜合分析，包括管內(nèi)流體流動狀態(tài)、表面形狀、物性、脈動等對管內(nèi)對流換熱的影響。介紹了利用縮放管、金屬泡沫管、納米流體、高壓電場等強化換熱的方法。對中高溫太陽能熱利用系統(tǒng)中大溫差管內(nèi)對流換熱的應(yīng)用及其強化方法進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：管內(nèi)；對流；換熱；強化換熱InfluencingFactorsandEnhancingMethodsofConvectiveHeatTransferinTubesLeiChangkuiSafetyEngineeringClass10021003070210Abstract:

2、SomefactorsweresummarizedsystematicallyaccordingtotheresearchinChinaandabroadinrecentyears,includingconvectionflowstate,phase-transformation,geometricfactors,fluidpulse,fluidphysicalpropertiesandviscosities.Atthesametime,somemethodsofenhancingheattransferintubeswerealsosummarized,suchasadditives,ele

3、ctro-hydro-dynamical,metalfoamfilledpipesetc.Finally,thecharacteristicsandthemethodofheattransferenhancementwereanalyzedinhigh-mediumtemperaturesolarpowersystems.KeyWords:tube,convection,heattransfer,heattransferenhancing0引言管內(nèi)對流換熱過程廣泛存在于化工、動力、制冷及太陽能熱利用等工程技術(shù)領(lǐng)域的各種熱交換設(shè)備中，是一個傳熱溫差和流體流動阻力并存且相互影響的復(fù)雜傳熱過程。近年

4、來，隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，熱交換設(shè)備迫切需要符合節(jié)約能源、節(jié)省材料和降低成本的要求，這對強化設(shè)備的換熱提出了更高的要求。眾所周知，熱量傳遞方式有熱傳導(dǎo)、熱對流以及熱輻射三種，因此強化傳熱的方法也勢必從這三個方面來進(jìn)行。作為熱交換器中管內(nèi)熱流體的主要傳熱方式，管內(nèi)對流換熱的強化在熱交換器強化換熱研究中占有極其重要的地位。本文從理論及已有實驗的角度對管內(nèi)對流換熱的影響因素及其強化換熱的方法進(jìn)行分析，以期對太陽能中高溫?zé)崂弥写鬁夭罟軆?nèi)對流強化換熱的研究提供指導(dǎo)和借鑒。1 管內(nèi)對流換熱的理論分析11邊界層理論邊界層是由于流體的黏滯性，在緊靠其邊界壁面附近，流速較勢流流速急劇減小，形成的流速梯度很大的薄

5、層流體，又稱為流動邊界層1。1940年德國普朗特提出著名的邊界層概念后，經(jīng)過發(fā)展，流體力學(xué)的研究已經(jīng)證明，黏性流體存在著兩種不同的流態(tài)：層流（ReV2000）及湍流（Re10000）。層流是流體微團(tuán)沿著主流方向作有規(guī)則的分層流動，而湍流時流體各部分之間發(fā)生劇烈的混合，因而在其他條件相同時湍流傳熱的強度自然要較層流強烈。湍流時的傳熱除貼壁的滯流內(nèi)層外，湍流核心的速度分布和溫度分布較為平坦，主要熱阻存在于滯流內(nèi)層中。由于滯流內(nèi)層極薄，溫度梯度甚大，所以湍流傳熱強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過層流。對于強制對流，若忽略自然對流的影響，其一般準(zhǔn)則數(shù)關(guān)系式為Nu=f（Re、Pr）在一定范圍內(nèi)，這個關(guān)系式可整理成如下形式:N

6、u=C（Re）m（Pr）n式中,Nu是努塞爾數(shù)；Re是雷諾數(shù)；Pr是普朗特數(shù)；系數(shù)c,指數(shù)m、n依影響因素不同由實驗測定。12場協(xié)同理論針對靜止坐標(biāo)系下的流動換熱問題，有學(xué)者從二維層流邊界層能量方程出發(fā)，重新審視了熱量輸運的物理機制，把對流換熱比擬成有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱過程，并指出熱源強度不僅決定于流體的速度和物性，而且取決于流速和熱流矢量的協(xié)同:流動的存在可能強化換熱，也可能并無實質(zhì)貢獻(xiàn)甚至減弱換熱，并以二維平板層流邊界層問題為例提出了場協(xié)同理論2，得到了Nu數(shù)與溫度梯度之間的關(guān)系，定義了表征速度場和溫度場協(xié)同程度的場協(xié)同數(shù)Fc,其中Fc的表達(dá)式為Fc=JUVTd丁=NuRePr場協(xié)同理論提出以來

7、，對于其在靜止坐標(biāo)系下的應(yīng)用研究得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展:從拋物型方程拓展到橢圓型方程；通過磁場改變方腔自然對流速度場，強化換熱，將傳遞勢容耗散極值原理應(yīng)用于對流換熱，獲得了黏性耗散一定的條件下的最優(yōu)速度場；把場協(xié)同理論的應(yīng)用從層流拓展到湍流，提出采用多縱向渦強化管內(nèi)對流換熱的場協(xié)同強化方法；研究了脈沖流動和壁面振動問題中的傳熱問題，提出為了改善速度和溫度梯度場的協(xié)同，應(yīng)使脈動能改變垂直于換熱壁面方向的速度分量。13有效能分析有效能指的是動力設(shè)備對流體實際做功的那部分能量。在管內(nèi)對流換熱中，流體因其不可逆性引起的流動摩擦阻力和溫差傳熱，導(dǎo)致能量貶值，即有效能的損失。在熱物性對有效能損失影響的研究

8、中，目前對有效能的研究只是針對層流的情況。師晉生等3針對壁面定熱流加熱的管內(nèi)對流換熱有效能損失進(jìn)行了研究，分析了黏度變化的影響。結(jié)果表明，溫差傳熱時管內(nèi)液體近壁處流速增大，換熱系數(shù)也增大，在熱流不變的條件下，壁面溫度與流體平均溫度差將減小，實際溫差傳熱有效能損失會減小，由流動引起的有效能損失更會減小。這是因為近壁處液體流阻系數(shù)減小，這樣總的單位熱容有效能損失將減小。14脈動分析對管內(nèi)流動，脈動流體進(jìn)入管道進(jìn)口時造成換熱系數(shù)的影響，直接反映在速度發(fā)生周期性變化，以及流體的脈動幅值、頻率的變化。通常的研究結(jié)果表明脈動流體會起到強化或弱化換熱效果，胡玉生等4通過數(shù)值模擬的方法對管內(nèi)流體脈動流動的分析

9、，結(jié)果表明阻力比無脈動時大，并且在流場中有與主流區(qū)流動方向相反的流動現(xiàn)象。當(dāng)無因次振幅不變的情況下，換熱強化比隨頻率的增大逐漸增大，在低頻率時變化較為明顯，在高頻率時變化不明顯，但是頻率較高時能夠強化換熱，而在頻率較低時則會有弱化換熱的情況。同樣，當(dāng)頻率不變的情況下，換熱強化比是隨著無因次振幅的增大先是逐漸下降然后逐漸增大，在無因次振幅較低時，會弱化換熱，并且振幅的影響不是很明顯。相反，振幅對換熱效果的影響十分顯著，并且隨著振幅的增大，換熱效果逐漸增大。因為脈動時阻力比無脈動時大，而且在流場中有與主流區(qū)流動方向相反流動現(xiàn)象，這是造成流體強化或弱化換熱的原因。2 管內(nèi)對流換熱的研究21縮放管強化

10、換熱縮放管是由依次交替的收縮段和擴(kuò)張段組成，使流體始終在方向反復(fù)改變的縱向壓力梯度作用下流動，通過表面縮放來改變管內(nèi)流體的流動狀況以達(dá)到換熱的效果。在同等壓力降下，流體的流動速度模量、流動方向、湍流強度相較圓管內(nèi)而言，縮放管的傳熱量會大幅度增加。黃維軍等5研究表明，縮放管中的流體在流動滯流底層內(nèi)，徑向速度很小，對傳熱影響不大，在湍流主區(qū)，各處的徑向速度分布一致，與縮放管傳熱系數(shù)的沿程分布沒有直接聯(lián)系；軸向速度是影響速度矢量模量的決定因素，但是其大小變化規(guī)律與傳熱系數(shù)的變化不一致，可以排除軸向速度的影響。剩下過渡區(qū)內(nèi)流體的徑向速度對縮放管內(nèi)流體與固體壁面間的對流傳熱起著決定作用，相應(yīng)地表面?zhèn)鳠岬?/p>

11、提高也受過渡區(qū)的湍流強度的影響。所以，設(shè)法提高近壁面區(qū)域的徑向速度與增大近壁面流體湍流度，是強化縮放管內(nèi)的湍流對流傳熱的主要途徑。22金屬泡沫管強化換熱金屬泡沫管是一種新型的多孔材料，是采用燒結(jié)等工藝將金屬泡沫與金屬管壁緊密結(jié)合而形成的新型強化換熱管，是一種高孔隙率的特殊多孔介質(zhì)。這種管的管內(nèi)孔隙率、孔密度、導(dǎo)熱系數(shù)比和雷諾數(shù)等不同參數(shù)對流動和換熱都有不同程度的影響，李盈海等6研究表明:金屬泡沫可以大大減薄邊界層的厚度，使截面流體速度分布十分均勻，截面溫差也很小。泡沫管的平均Nu數(shù)隨孔隙率的減小或孔密度的提高而增大，隨流體和固體導(dǎo)熱系數(shù)比的減小而增大。當(dāng)系數(shù)比0.1001時，采用低孔密度的金屬

12、泡沫既可以強化換熱，同時也可以大大減小壓降。采用金屬泡沫管可以大大強化傳熱，但相對同時管內(nèi)流體阻力增加也會很多。23帶交叉肋方形截面通道換熱一直以來人工粗糙元被認(rèn)為是強化換熱的一項有效的技術(shù)。通常，粗糙元是一些小的凸起物，按照一定的角度，周期性地布置在需要強化換熱的換熱面上。粗糙元能使流體的流動形成湍流而強化換熱，同時也會引起阻力增加。為了不使阻力增加過多，應(yīng)使湍流脈動限制在靠換熱面很近的地方，也就是在邊界層內(nèi)。帶交叉肋方形截面通道就是利用這個原理通過內(nèi)置粗糙元以達(dá)到管內(nèi)強化換熱。針對交叉布置肋條和平行布置肋條強化效果比較，鄧斌等7進(jìn)行了交叉布置肋條的換熱研究，結(jié)果表明交叉布置肋條布置角度越大

13、，高度越高，換熱增強，但阻力也相應(yīng)增大。取45°肋條的綜合換熱效果較好。同時總結(jié)得出，在Re較低時，交叉布置的肋條通道較平行布置的肋條有一定的強化換熱效果，但在高Re下并無優(yōu)勢。24納米流體強化換熱自從發(fā)現(xiàn)“Toms效應(yīng)”并被證明在液體湍流中添加少量的添加劑會影響流體傳熱后，高分子聚合物和某些表面活性劑經(jīng)常被用作納米流體添加劑來使用8。1987年蔡國琰等9的流體黏彈性對湍流流動與傳熱的影響的研究發(fā)現(xiàn)，黏彈性會降低流體的換熱性能，黏彈性對換熱系數(shù)的影響與普朗特數(shù)和雷諾數(shù)有關(guān)，隨著普朗特數(shù)增加，黏彈性影響加強，隨雷諾數(shù)增加，影響變?nèi)酢８鶕?jù)國內(nèi)外的研究表明，表面活性劑的加入使湍流在減阻的同

14、時對流換熱系數(shù)也大幅度降低。另一方面也發(fā)現(xiàn)，表面活性劑溶液具有剪切可逆性及溫變可逆性，利用該性質(zhì)可以對其湍流的對流換熱進(jìn)行控制?？傊?，在流體中加入納米材料后流體的對流換熱系數(shù)明顯提高，隨著雷諾數(shù)的增加換熱系數(shù)還呈線性提高10。因此，添加納米材料也是強化流體換熱的一大途徑。25高壓電場強化換熱電場強化換熱以其非常小的能耗取得相當(dāng)好的強化效果，有著誘人的應(yīng)用前景，20世紀(jì)70年代以來，國外研究者在該領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性研究，并逐漸進(jìn)行應(yīng)用性研究。電場對流體換熱主要有四個方面的影響，焦耳熱、庫侖力、介電泳力和電致收縮力，在絕緣性流體中焦耳熱遠(yuǎn)小于其它三項的影響，故庫侖力、介電泳力和電致收縮力為主

15、導(dǎo)因素影響著電場對流體換熱。有機流體在外加直流高壓電場的作用下，電場能對管內(nèi)層流強制對流換熱起著很好的強化作用。利用高壓電場目的是增加在管內(nèi)層流流動的流體的紊亂程度，變層流為湍流。劉振華等11-12在氣體和一般低黏度的有機流體的研究基礎(chǔ)上，再對高黏度的油在高壓電場強化管內(nèi)強制對流換熱的實驗研究表明，外加高壓電場能對管內(nèi)層流強制對流換熱起著很好的強化作用，并得出其換熱系數(shù)強化率主要與外加電場強度及熱通量等因素有關(guān)。因為在相同傳熱面積和泵功條件下，換熱系數(shù)強化率隨著外加直流電壓幾乎呈指數(shù)關(guān)系變化，在較小的外加電壓下，對流換熱強化率較低，而且強化率基本不隨高溫通量而變化，相對地在較大的外加電壓下，換

16、熱強化率較高，但是隨著熱通量的增大，強化率也有很大影響。所以外加直流電壓的提高換熱強化率有良好的綜合強化效果。26旋轉(zhuǎn)流體強化換熱應(yīng)用流體旋轉(zhuǎn)法也是流體管內(nèi)強制對流換熱的有效強化方法之一。目前國內(nèi)外在研究旋轉(zhuǎn)流體都普遍采用滾壓成型的螺紋槽管，增加旋轉(zhuǎn)流體的流動路徑，使管內(nèi)流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，增加貼近壁面的流體速度，同時還可改變整個流體的流動結(jié)構(gòu)，使流體在管內(nèi)停留時間延長，加強邊界層流體的擾動以及邊界層流體和主流流體的混合，因而使傳熱過程得以強化。但是，并不是螺紋頭數(shù)越多就能達(dá)到越好的換熱效果，一般螺紋頭數(shù)不宜超過3頭，同時螺紋高度也不宜過大，應(yīng)控制在h/d=0.030.04左右Ml,式中h為螺紋

17、高度，d為直徑。因為在相同Re數(shù)時，單頭螺紋主要使邊界層流體旋轉(zhuǎn)，而多頭螺紋能使邊界層流體和主流體一起產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)，使流動緩慢的邊界層流體旋轉(zhuǎn)有利于強化傳熱。27微結(jié)構(gòu)強化換熱當(dāng)今微電子、微能源以及生物芯片等行業(yè)對微型的高效換熱器有著迫切的需求，從而帶動了利用微結(jié)構(gòu)對微型換熱器進(jìn)行強化換熱的研究，其中以微通道最為常用。唐慧敏等14討論了鋸齒形硅微通道強化換熱的機理，發(fā)現(xiàn)鋸齒形微通道內(nèi)流動摩擦常數(shù)和換熱努塞爾數(shù)較平直微通道均有明顯提高，且提高幅度隨雷諾數(shù)Re增加而增加，相同泵功條件下鋸齒形微通道換熱熱阻顯著下降。李曉偉等15實驗研究了微肋管在過渡區(qū)及湍流區(qū)的換熱及阻力性能，并針對微肋管在過渡區(qū)

18、的換熱強化較差的特點改進(jìn)其結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明，改進(jìn)后的微肋管在2300VReV10000時比原微肋管強化換熱提高120%，阻力增70%120%。3 太陽能中高溫?zé)崂霉軆?nèi)對流換熱近年來，太陽能中高溫?zé)崂萌缣柲軣岚l(fā)電技術(shù)日益受到人們的重視，吸熱器是關(guān)鍵設(shè)備之一，通常采用管內(nèi)對流換熱方式來加熱熱流體。由于太陽能中高溫?zé)崂玫木酃鉁囟雀哌_(dá)數(shù)百甚至上千攝氏度，而管內(nèi)被加熱的熱流體溫度通常在數(shù)百攝氏度，因此吸熱器的管內(nèi)對流換熱溫差一般在100°C以上。已有管內(nèi)對流換熱及其強化的研究大多在中低溫差的條件下（通常小于50C）進(jìn)行，所得實驗關(guān)聯(lián)式及其相關(guān)結(jié)論也具有一定局限性，不能直接用于太陽能中

19、高溫?zé)崂弥形鼰崞鞯脑O(shè)計，或者具有較大的誤差。因此有必要對聚光型太陽能中高溫?zé)崂孟到y(tǒng)中吸熱器大溫差下管內(nèi)對流換熱及其強化方法進(jìn)行研究，獲得較為專門和精確的實驗關(guān)聯(lián)式以推動聚光型太陽能中高溫?zé)崂眉夹g(shù)的發(fā)展。4 結(jié)論上述管內(nèi)對流換熱的影響因素及管內(nèi)換熱的強化研究，可以作為太陽能中高溫?zé)崂孟到y(tǒng)中換熱器尤其是吸熱器設(shè)計及其強化換熱手段的借鑒，并在此基礎(chǔ)上開展面向太陽能中高溫?zé)崂玫拇鬁夭罟軆?nèi)對流換熱及其強化的研究。參考文獻(xiàn)1楊世銘，陶文銓傳熱學(xué)M.4版北京:高等教育出版社,20062 過增元，黃素逸.場協(xié)同原理與強化傳熱新技術(shù)M北京：中國電力出版社，20043 師晉生，張巧珍.管內(nèi)對流傳熱有效能損失分析J.干燥技術(shù)與設(shè)備,2005,2(2):69-724 玉生，曾丹苓，李友榮，等恒壁溫下管