第4章傳熱學無源強化

第四章對流換熱的無源強化無源強化技術(shù)不需要附加設(shè)備和附加動力，工作可靠，應用最多。通常隨著對流換熱的增強，傳熱介質(zhì)的壓力損失和唧送功率也將迅速增加。按照不同對象和要求選擇簡單、經(jīng)濟、高效的強化傳熱方法。分為整體強化傳熱表面（用機械加工、電化學腐蝕或者焊接各種擾流元件或多孔體所構(gòu)成）和插入物、旋流、添加物、射流等。2023/2/514.1管內(nèi)插入物對傳熱的增強在大容器中使用的攪拌方法在管內(nèi)不易直接使用；通常利用靜止的流體混合裝置，即利用各種管內(nèi)插入物使流體產(chǎn)生徑向流動，從而加強流體的混合、促進管內(nèi)流體速度和溫度分布的均勻并獲得管壁與流體間較高的對流換熱系數(shù)。由于流體二次流動和摩擦面積的增加，將使流體經(jīng)過含插入物管子時的壓力損失和泵功率大大增加。節(jié)省的機械功率可以補償泵功率，且沒有機械轉(zhuǎn)動部分，工作非?？煽?。2023/2/52混合元件：沿管長裝滿絲網(wǎng)多孔體或金屬螺旋刷；Sulzer靜止混合器；扭曲葉片；Kenics靜態(tài)混合器；扭曲帶2023/2/534.1.1含扭曲帶管內(nèi)的流動及傳熱特性結(jié)構(gòu)最簡單S為節(jié)距，是扭轉(zhuǎn)180度的軸向長度，D與管內(nèi)徑相等。扭曲比y=S/D扭曲比越小，扭轉(zhuǎn)程度越高，流體在管內(nèi)的壓力損失和換熱系數(shù)也越大。SD適合于層流運動，如果是湍流，流體主流部分的混和本來就比較強烈，扭曲帶的增強作用就低得多。而阻力損失很大，不合算。2023/2/54（1）阻力系數(shù)含扭曲帶圓管的水力直徑管內(nèi)放置1根直條時取δ/D=0.05管內(nèi)含直條時與空管的速比平方為2023/2/55壓降管內(nèi)含直條時的壓降與空管壓降之比管內(nèi)含扭曲帶時由于徑向二次流的存在以及流動途徑的增長，阻力損失更大。有經(jīng)驗公式計算。2023/2/56（2）傳熱系數(shù)Lopina-Bergles經(jīng)驗公式計算含扭曲帶管內(nèi)湍流運動流體被加熱時松配合F=1;緊配合F=1.25流體被冷卻時可見對湍流強化很有限例如：松配合，扭曲比y=2和3，流體冷卻情況下，換熱強化比分別=1.33和1.12023/2/57對層流換熱作用比較顯著。水和乙二醇乙烯為傳熱介質(zhì)的含扭曲帶管內(nèi)層流換熱經(jīng)驗公式為絕大多數(shù)實驗點的偏差在±25%以內(nèi)Re/y>10后，與空心管相比，換熱系數(shù)可增大2~10倍。2023/2/58扭曲帶置于管子進口部分扭曲帶可以只置于管子進口部分。流體離開扭曲帶后由于慣性仍然保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但強度逐漸衰減。換熱效果差一些，約降低20%；但阻力損失也減小約85~100%。2023/2/59扭曲帶在內(nèi)翅管中的復合傳熱既用內(nèi)翅增加傳熱面積，又使扭曲帶增加對流換熱系數(shù)。馬達油在含扭曲帶的內(nèi)翅管中換熱和阻力試驗的結(jié)果。在等壁溫加熱或冷卻時，流體的換熱經(jīng)驗公式為：含扭曲帶的內(nèi)翅管比空心管優(yōu)。當馬達油被冷卻時，呈現(xiàn)層流運動的特性，阻力系數(shù)與Re成反比；被加熱時，近壁處流體粘度降低，阻力系數(shù)明顯下降，呈現(xiàn)某種湍流度的影響，即阻力系數(shù)與Ren成反比,n<1。相同泵功率下，流體被加熱時的換熱系數(shù)比冷卻時要高。2023/2/510扭曲帶置于粗糙管內(nèi)的傳熱特性光管＋扭曲帶粗糙管＋扭曲帶粗糙管光管1優(yōu)于22023/2/5114.1.2

Kenics靜態(tài)混合器扭曲帶做成一段左旋，一段右旋，后段扭曲帶的前緣與前段扭曲帶的后緣錯位90度相焊接，交替連接成串。扭曲比y=1.5~2。Genetti公式:2023/2/512圓管內(nèi)的層流換熱，Sieder-Tate公式：層流條件下，與空心管相比，相同泵功率下含靜態(tài)混合器流道內(nèi)的換熱強化比：對于y=2,Re=200~2000時,Nu/Nu0值在等泵功率下為1.83~2.79。2023/2/513算例傳熱介質(zhì)：氟利昂113裝有的Kenics靜態(tài)混合器的垂直管Re=1000~5500,實驗管內(nèi)徑12.7mm，y=1.56種布置方式：沿加熱管全長裝滿50個混合元件沿加熱管均勻布置25個混合元件，并用不銹鋼絲相連，元件之間距離相同沿加熱管上游段布置25個混合元件沿加熱管上游段布置12個混合元件沿加熱管上游段布置6個混合元件沿加熱管上游段布置3個混合元件2023/2/5144.1.3自由旋流對換熱的強化用進口處的渦流發(fā)生器使流體在傳熱管中發(fā)生自由旋流，從而增強傳熱過程。渦流強度沿著流程是逐漸降低。渦旋強度用管內(nèi)旋流角動量Mθ與軸向動量Mx之比表示在自由旋流中，流體的摩擦系數(shù)f可從測得的總切應力τ求得2023/2/515Lc滑動氣室長度，反映初始渦旋強度2023/2/516θ壁面渦流角θ0初始壁面渦流角2023/2/517隨著壁面熱流密度q值的增加，等泵功率下的自由渦旋換熱強度比也隨之增加，但是Nu/Nu0沿管長的衰減率也隨q值的增長而加快。2023/2/5184.1.4螺旋管內(nèi)的換熱規(guī)律螺旋管換熱器因制造簡單并有較大的換熱系數(shù)，因此在工程上有廣泛應用。流體在螺旋管內(nèi)會形成2個對稱的渦流。Dd流體在螺旋管內(nèi)流動時受到離心力作用，流體從管子中心部分由螺旋管內(nèi)側(cè)流向外側(cè)壁面，造成內(nèi)側(cè)低壓區(qū)，在壓差作用下流體從上部和下部壁面流回內(nèi)側(cè)。流體的這種二次流動與軸向主流復合成螺旋式的前進運動。2023/2/519螺旋套管式換熱器2023/2/520Dean準則是決定螺旋管內(nèi)流動相似性的唯一因素，其物理意義是流體作圓周運動時引起的離心力與粘性力之比。螺旋管內(nèi)流體溫度分布螺旋管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)較外側(cè)的低。臨界雷諾數(shù)(適用范圍0.0012≤d/D≤0.067)內(nèi)側(cè)外側(cè)2023/2/521層流運動時傳熱強化比Nu/Nu0隨Dn數(shù)增加而增大；而其它方法一般是隨Re數(shù)減小而效果愈加顯著。內(nèi)側(cè)外側(cè)流體Pr的影響也與其它方法不同，像空氣這樣Pr不大的流體在高Dn螺旋管中竟然會有良好的增強傳熱作用。2023/2/522螺旋管內(nèi)湍流運動時的對流換熱強化比最大只有1.1~1.26在壁面高熱流密度時，液體產(chǎn)生過冷沸騰，離心力使蒸汽泡集中到螺旋管內(nèi)側(cè)壁面上，這將不利于汽泡脫離，使臨界熱流密度qcr降低。質(zhì)量流速愈高、比值d/D愈大，qcr也愈低。螺旋管內(nèi)的質(zhì)量沸騰的比直管更高。且隨著d/D值及質(zhì)量流速的提高而增加。在G≈1000kg/(m2s)時，qcr達到最大值，然后隨著G的增加而逐漸下降。液態(tài)金屬除外(其強化比很小)2023/2/5234.1.5添加物對流體傳熱的影響添加物有在工藝過程中自然形成的，也有為了滿足某種需要而故意加入的。如催化劑、減阻劑。例子：流化床：固體粒子濃度極高的氣-固懸浮體，用于工藝、生產(chǎn)及煤粒燃燒。氣體中噴入霧狀水滴以增強氣冷表面的傳熱效應；液體中加入氣泡或某些溶劑以增強換熱；液體中摻加高分子聚合物、纖維或固體微粒以降低流動阻力等。2023/2/5242023/2/5252023/2/526傳熱增強幅度主要取決于傳熱流體能否在壁面上形成液膜。在較低壁溫下混合流中的水份可能滲透、凝聚到壁面上，取代氣體邊界層，構(gòu)成水膜內(nèi)邊界層，氣水邊界層在水膜外面。由于水膜傳熱能力比氣膜高得多，因此換熱系數(shù)有很大增加，最高可達30倍。2023/2/527換熱強化主要集中在圓柱體的前半部；后半部由于水膜脫離及沒有水滴沖擊，換熱系數(shù)大為降低，并與水份含量M和位置關(guān)系不大。前緣后緣2023/2/528M－水份含量NuL平均值隨Re數(shù)和M的增加而不斷增大。例：Re

=3×104,M=0.04,查得NuL=67,水在40℃時λ=0.633W/(mK);氣-水霧狀流換熱系數(shù)αL=42.4/D.對于單相氣體傳熱可得αg=2.72/D,霧狀流比單相氣體傳熱提高15倍。而從圓柱體前半部的換熱增強則可達幾十倍。2023/2/529霧狀流對單相空氣的換熱強化比α/α0的實驗結(jié)果：圖3-24利用水－氣霧狀流冷卻半導體器件可比空氣在平行平板中的換熱系數(shù)提高20倍；在冷凍系統(tǒng)或凝汽器中利用水膜蒸發(fā)來增強空氣側(cè)的傳熱，以減小體積或冷卻系統(tǒng)功率消耗。2023/2/5304.1.6流化床與埋管間的傳熱流化床原來用于石油化工企業(yè)的各類反應器中。為了取走反應中產(chǎn)生的熱量或者輸入進行反應所需要的熱量，在流化床的固體粒層中埋入傳熱管束。多年來有著流化床固體粒層與埋管間傳熱的研究和運行已積累了大量的資料。流化床燃煤鍋爐：由于煤粒在流化床中劇烈翻騰而引起流化床與埋設(shè)的鍋爐管之間的換熱系數(shù)猛升，因此傳熱管數(shù)目可以大為減少，從而縮小爐膛體積和提高爐溫，并能使用普通爐子無法燃燒的劣質(zhì)煤。因摻入石灰石而消除燃煤中的含硫成份，改善環(huán)境。2023/2/531當氣流速度增加到能吹起固體顆粒而形成懸浮體時就成為流化床。這里顆粒重量為流體作用于顆粒的壓差所平衡。流態(tài)化開始時的氣流速度稱為臨界流態(tài)化速度umf；此時流化床的孔隙率稱為流化床的起始孔隙率εmf。在流化床中固體顆粒比氣體重幾千倍，氣流只有在較大壓差下才能吹動顆粒，需要有較高的umf值。在固體顆粒層中產(chǎn)生的氣泡猛烈擾動顆粒，使懸浮的粒子在容器內(nèi)劇烈翻滾，與垂直或水平管束周期地發(fā)生短暫的接觸和脫離，從而導致流化床內(nèi)固體顆粒與埋管間的強烈傳熱。2023/2/532流化床與管子間的換熱過程由三部分組成，即粒子導熱、氣體換熱及輻射：運動著的固體顆粒與埋管間的不穩(wěn)定導熱；在直徑大于1mm的大顆粒床內(nèi)和在較高的流化床壓力下，氣體的對流換熱起著重要的作用；當流化床溫度高于900K時必須考慮輻射換熱的貢獻。2023/2/533鍋爐埋管與流化床之間的傳熱非常復雜。從流化床方面來說：煤粒的形狀與尺寸顆粒與氣體的熱物理特性氣體的壓力和流速流化床的孔隙率從鍋爐管方面來說：管子的形狀與尺寸是否有翅片及翅片的幾何尺寸管子間的節(jié)距管束的排列方式（垂直/水平，叉排/順排）2023/2/534當氣體速度低于umf時屬于固定床換熱，換熱系數(shù)隨速度提高的增加率很小；在氣體速度大于umf后換熱系數(shù)隨速度提高而迅速增大，可達1~2個數(shù)量級；有最佳速度，之后換熱系數(shù)隨速度提高而逐漸下降。2023/2/535水平管束的傳熱：[95]認為換熱系數(shù)主要受到水平節(jié)距Sh的影響,垂直節(jié)距Sv≥2D時,不論順排叉排，換熱系數(shù)與Sv無關(guān)。[97]認為叉排換熱系數(shù)比順排大約高出30%。2023/2/5364.1.7射流沖擊將液體通過圓形或狹縫形噴嘴噴射到固體表面進行冷卻或加熱的方法稱為射流沖擊，這是一種極其有效的強化傳熱方法。由于流程短而邊界層很薄，因此換熱系數(shù)比通常管內(nèi)換熱要高出幾倍以至一個數(shù)量級。用途：紡織品、紙張、木材等的干燥，玻璃的回火，鋼材的冷卻及加熱，內(nèi)燃機活塞的油冷等；航空發(fā)動機渦輪葉片的冷卻已廣泛采用沖擊冷卻技術(shù)；計算機高熱負荷微電子元件的冷卻。2023/2/537射流可以是單束的也可以排列成矩陣。單束射流分為圓形和狹縫形（或稱為平面射流）兩種。單束射流流場分為三部分：自由射流駐點流壁面射流射流工質(zhì)在與壁面垂直方向上強烈沖擊壁面，法向速度變?yōu)榱?，因而具有最強的傳熱效率工質(zhì)流速逐漸減小，邊界層增厚。但也可能會發(fā)生層流向湍流過渡，使局部傳熱強化。2023/2/538傳熱系數(shù)的徑向分布大致是鐘形，但若射流噴嘴距離壁面較近時，局部傳熱率可能出現(xiàn)兩個峰值。H/D有最佳值2023/2/5392023/2/540國際著名傳熱專家Bergles提出第三代強化傳熱技術(shù)概念，指出現(xiàn)代強化傳熱技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)不僅僅是單一技術(shù)的使用，而是多種技術(shù)的復合應用。根據(jù)場協(xié)同理論對射流沖擊的強化傳熱機理可作出深入的解釋：流動的流場方向與溫度梯度方向之間的協(xié)同程度，對傳熱效率有重要作用和影響。由于射流方向與傳熱方向完全一致，因而射流沖擊具有最高的傳熱效率。射流沖擊作為最有效的傳熱手段，不僅從實踐上而且從理論上也得到證明。2023/2/541圓形浸沒射流沖擊傳熱工質(zhì)：FC72和R113噴嘴直徑d=987μm和d=534μm。h=q/(