被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究進(jìn)展

被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究進(jìn)展

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，以能源為中心的環(huán)境和生態(tài)問題日益嚴(yán)重。節(jié)能是非常重要和緊迫的。世界各國正在尋找新能源和節(jié)能的新形式。換熱器作為換熱設(shè)備,廣泛應(yīng)用于冶金、化工等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中,強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用不但節(jié)能環(huán)保,而且節(jié)約了投資和運(yùn)營成本,所以,換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)一直以來都是一個(gè)重要課題,受到研究人員的重視,各種研究成果不斷涌現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來,強(qiáng)化傳熱技術(shù)被譽(yù)為第二代傳熱技術(shù),并得到充分的發(fā)展。它是能夠顯著改善傳熱性能的節(jié)能技術(shù),其主要內(nèi)容是強(qiáng)化傳熱元件和改變殼程的支撐結(jié)構(gòu),用以提高換熱效率,達(dá)到生產(chǎn)的最優(yōu)化。強(qiáng)化傳熱技術(shù)通常分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類。主動(dòng)式強(qiáng)化傳熱需要消耗外部能量,如采用電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光照射、攪拌、噴射等手段。被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱則不需要消耗外部能量,是換熱器強(qiáng)化傳熱主要采用的方法,如傳熱管的表面處理、傳熱管的形狀變化、管內(nèi)加入插入物,改變支撐物等。這里主要介紹被動(dòng)式傳熱。1熱管表面處理1.1異形管的應(yīng)用無相變傳熱是指在對(duì)流換熱中不發(fā)生蒸汽凝結(jié)或液體沸騰的換熱過程。工業(yè)生產(chǎn)中,主要應(yīng)用的異形管有:螺旋槽管、旋流管、波紋管、縮放管、橫紋管、螺旋橢圓扁管、變截面管、內(nèi)肋管等。這種傳熱管的特點(diǎn)是,結(jié)構(gòu)簡單,加工方便,傳熱面積增加,傳熱效果大大增強(qiáng),換熱器的結(jié)構(gòu)更加緊湊,減小投資,節(jié)約成本。(1)管內(nèi)傳熱管傳熱螺旋槽紋管是表面具有螺旋形凹槽的一種強(qiáng)化傳熱管,傳熱管內(nèi)外表面的凸起或槽紋,干擾了管內(nèi)流體的流動(dòng),破壞了層流邊界層,流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到充分的湍流,產(chǎn)生的漩渦又不斷地?cái)_動(dòng)邊界層的流體,促進(jìn)了傳熱管同流體間的熱交換;湍流度的增加也有助于避免污垢在傳熱管壁面的沉積,提高傳熱系數(shù),增強(qiáng)了管內(nèi)外流體的換熱。螺旋升角對(duì)換熱的影響很大,大螺旋升角更有利于換熱。研究表明,螺旋槽管換熱器比光管的傳熱系數(shù)提高了2~4倍,在阻力損失和換熱面積相同時(shí),換熱量可增加30%~40%。旋流管是螺旋槽紋管的衍生品,也叫異型螺旋槽管。其槽紋是半流線的勺形或W形,流體在其內(nèi)流動(dòng)呈波狀特性,它的傳熱機(jī)理與螺旋槽管大體相同。這種傳熱管的傳熱面積和傳熱系數(shù)大大增加,傳熱系數(shù)比光管提高3.5倍,并且,在相同傳熱量下旋流管的換熱系數(shù)比螺旋槽管高3%~8%,而壓力損失低5%~10%。(2)加強(qiáng)傳熱過程的傳熱波紋管是表面有波紋狀突起的強(qiáng)化傳熱管,由于波紋管的壁很薄,傳熱管可以自由伸縮。流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí),截面不斷的變化,擾動(dòng)流體,破壞層流邊界層,以強(qiáng)化傳熱。波紋管的傳熱效率通常是光管的2~4倍,同時(shí)還具有除垢能力強(qiáng),溫差應(yīng)力小,結(jié)構(gòu)緊湊輕巧等特點(diǎn)。波紋管的壁薄,有波紋突起,可以有效地消除縱向應(yīng)力,但是波紋管的強(qiáng)度問題沒有很好的解決,應(yīng)用范圍受到限制。(3)流動(dòng)res對(duì)熱性能的影響橫紋管由光管的外表面被滾壓成一圈圈有序的環(huán)形凹槽而成,與管子軸線成90°角。影響橫紋槽管綜合傳熱性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為肋節(jié)距和肋形,而肋高影響較小,并且傳熱綜合因子隨流動(dòng)Re數(shù)增大而迅速降低。橫紋抗垢能力要優(yōu)于光管,漸近污垢熱阻值約為光管的0.83,污垢狀態(tài)下橫紋管的強(qiáng)化比約為1.4,說明橫紋管其性能比光管要好,也比螺紋管好,在同樣傳熱效果下,阻力增加比螺旋槽管少。(4)種管束結(jié)構(gòu)螺旋橢圓扁管是把圓形光管壓成橢圓形,然后扭曲而成,流體在管內(nèi)處于螺旋流動(dòng)狀態(tài),因而破壞了管壁附近的層流邊界層,提高了傳熱效率。這種管束結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:兩個(gè)并行排列的相鄰管子的橢圓長軸相互接觸,互相支撐,應(yīng)用這種管的換熱器取消了附加的管束支撐物,節(jié)約了材料和成本。研究表明,螺旋橢圓扁管換熱器具有較好的強(qiáng)化傳熱性能,管徑大小和螺旋導(dǎo)程對(duì)傳熱和阻力性能均有影響。從綜合性能來看,大管徑優(yōu)于小管徑;對(duì)于相同規(guī)格的管子,導(dǎo)程增大,傳熱性能降低,流動(dòng)阻力減小。這種結(jié)構(gòu)的換熱器與光管換熱器相比,熱流密度高50%,容積小30%。1.2相變傳熱管有相變傳熱是指在對(duì)流換熱中發(fā)生蒸汽凝結(jié)或液體沸騰的換熱過程,有相變傳熱常用的異形管有:鋸齒形翅片管、花瓣形翅片管、T形管和表面多孔管(麻坑管)等。(1)齒管和翅片的結(jié)構(gòu)鋸齒形翅片管是一種新型傳熱管,其翅片外緣有鋸齒缺口,加強(qiáng)了流體的擾動(dòng),促進(jìn)對(duì)流換熱,換熱面積增大,增強(qiáng)了換熱量,鋸齒管的傳熱系數(shù)是光管的6倍,是低肋管的1.5~2倍?；ò晷纬崞苁且环N特殊的三維翅片結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱管,從截面上看,各翅片像花瓣?duì)疃么嗣；ò晷纬崞芗饶茱@著地強(qiáng)化低表面張力介質(zhì)及其混合物和含不凝性氣體的水蒸氣的冷凝傳熱,又能顯著地強(qiáng)化空氣和高粘性流體的冷卻傳熱,有研究表明:自然對(duì)流條件下,其傳熱系數(shù)比鋸齒形翅片管提高了8%~10%,在強(qiáng)制對(duì)流下,是光管的5~6倍。(2)實(shí)驗(yàn)用表面多孔管作為壓力屬T形翅片管是由德國的Wieland公司于1978年開發(fā)的,管子的外表面具有多條螺旋的T形翅片,以增加汽化核心,并顯著的增大了傳熱面積,具有優(yōu)良的傳熱性能。表面多孔管同T形管的傳熱原理相同,它是北京化工設(shè)計(jì)院在1978年通過燒結(jié)法試制的,實(shí)驗(yàn)用丙酮作工質(zhì),測(cè)定了在以燒結(jié)法制成的表面多孔管上沸騰時(shí)的給熱系數(shù),約為光滑管的7~8倍。盡管這種表面結(jié)構(gòu)具有很好的換熱特性,但是,這種管的加工工藝十分復(fù)雜,在實(shí)際工程應(yīng)用中并不普遍。1.3新型傳統(tǒng)件(1)流體過濾器內(nèi)的內(nèi)斜針翅管是中國石化建筑公司與華南理工大學(xué)聯(lián)合研制的一種新型高效換熱器。這種傳熱管的優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)大了二次傳熱面積,保持較小的管距,利用流體的不斷擾動(dòng),破壞流體的層流邊界層,增加了紊流度,使得傳熱效率提高,達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。它主要應(yīng)用于殼程為油介質(zhì)的換熱器中。流體流經(jīng)換熱管壁面時(shí)總存在一層滯留內(nèi)層,該層傳熱僅為熱傳導(dǎo),導(dǎo)熱熱阻很大,流體的流速和溫度分布都屬于拋物線形,只有使滯留層消除或變薄才能夠減小熱阻,加強(qiáng)傳熱。斜針翅管強(qiáng)化傳熱的機(jī)理是在擴(kuò)大二次傳熱面的同時(shí),利用流體的擾動(dòng),提高湍流度,破壞了邊界層,也阻止了污垢的積累,強(qiáng)化了傳熱。研究表明,殼程的流體縱向流動(dòng),有效的避免了流體誘導(dǎo)振動(dòng)的發(fā)生,防止管子的振動(dòng)破壞,具有折流桿換熱器的特點(diǎn);這種傳熱元件的換熱面積能夠有效地被利用,不存在換熱死區(qū),并且增加了換熱面積,同等條件下,換熱面積可提高10%以上。(2)管的傳熱效果新型釘翅管的結(jié)構(gòu)是在光管的外表面交錯(cuò)的排列一個(gè)個(gè)釘翅。通過理論和實(shí)驗(yàn)研究表明,這種新型釘翅管的傳熱效果明顯增強(qiáng),傳熱效率大大提高,與光管相比它所消耗的比功并不大,但其傳熱系數(shù)是普通光管100倍左右,是翅片管的10倍左右,是百葉窗翅管的5倍左右,努塞爾數(shù)Nu是光管的65~105倍?？梢?這種傳熱元件與其它翅片管相比傳熱效果是最好的,其開發(fā)和應(yīng)用潛力巨大。2內(nèi)實(shí)際件的選擇管內(nèi)插入物可以擾動(dòng)管內(nèi)的流體,增強(qiáng)湍流度,有效地清除污垢,提高傳熱系數(shù);形成旋轉(zhuǎn)流和二次流;插入件在管內(nèi)擾動(dòng)流體,破壞了層流邊界層,加快了流體同傳熱管的換熱。常用的內(nèi)插件有:扭帶、間隔扭帶、錯(cuò)開扭帶、螺旋片、螺旋線、靜態(tài)混合器等。不同內(nèi)插件增強(qiáng)傳熱的效果也不同,WangL等通過實(shí)驗(yàn)研究比較螺旋線圈和扭帶的綜合強(qiáng)化性能表明,管內(nèi)插物扭帶擾動(dòng)管內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)的流動(dòng),而螺旋線圈主要干擾管壁附近的流體,所以當(dāng)螺旋角和直徑比相同時(shí),螺旋線圈的性能要好于扭帶。近幾年,又出現(xiàn)了彈性圓珠內(nèi)插件。流體流過彈性珠時(shí)易在其后面形成卡門渦街,增加了流體與壁面的剪切力,同時(shí),彈性珠不斷的敲擊管壁,導(dǎo)致剛剛形成長大的污垢層脫落,提高了傳熱效率,污垢熱阻大大降低,有時(shí)甚至出現(xiàn)負(fù)熱阻,傳熱性能明顯優(yōu)于光管。3管束支撐的開發(fā)管束支撐是管殼式換熱器的重要原件,主要起到支撐管束,減小管束振動(dòng)和引導(dǎo)殼程流體流向的作用,一種好的管束支撐,能夠強(qiáng)化殼程熱交熱,因此開發(fā)新型的管束支撐是非常重要的。工程中應(yīng)用的管束支撐主要有:弓形折流板、折流柵、螺旋隔板、空心圓環(huán)和螺旋折流片等。3.1心分隔組成弓形折流板包括單弓形折流板和雙弓形折流板。雙弓形折流板由雙弓形隔板和中心隔板組成。兩種隔板沿管束方向交替排列,引導(dǎo)流體波浪式前進(jìn)。雙弓形隔板換熱器與間距和缺口相同的單弓型隔板換熱器相比,雖然其壓降為后者的0.3~0.5,傳熱系數(shù)為后者的0.6~0.8,但總體的傳熱性能是提高的。3.2折流桿式換熱器折流桿縱流式換熱器是1970年美國菲利浦石油公司首先提出的,是為了解決傳統(tǒng)折流板換熱器中管子與折流板的切割破壞和流體誘導(dǎo)振動(dòng),這種結(jié)構(gòu)是將管殼式換熱器中的折流板改成桿式支承。折流桿式換熱器壓降很低,低于弓形隔板的1/4,傳熱特性比也高,傳熱強(qiáng)化達(dá)1.3~2.4倍。在相同設(shè)計(jì)條件下,雙殼程折流桿換熱器的殼程流速提高了1倍,殼程的給熱系數(shù)可提高52%~74%。另外,折流桿與換熱器的接觸面積很小,傳熱面積得到充分利用,消除殼程滯留區(qū),改變了殼程流場(chǎng)的溫度分布。3.3螺旋折流板換熱器LutchaJ和NemcanskyJ于1983年提出殼程流體作螺旋運(yùn)動(dòng)可以有效地清除污垢死角、強(qiáng)化換熱器殼程傳熱,其殼側(cè)支撐結(jié)構(gòu)是用一系列的扇形面,相間連接,從而在殼側(cè)形成近似的螺旋面,亦稱螺旋折流板換熱器。這種換熱器折流板形成一種特殊的螺旋形結(jié)構(gòu),與常規(guī)折流板的布置方式不同,它使得殼程的流體做螺旋運(yùn)動(dòng)。通過已知實(shí)驗(yàn)研究可以看出這種換熱器的優(yōu)良性能,對(duì)于以壓縮空氣為工質(zhì),在相同的Re下,光滑管螺旋隔板換熱器的管外膜傳熱系數(shù)是光滑管弓形隔板換熱器的1.25~1.8倍,壓降隨著螺旋角的不同大約可降低26%~60%。3.4黨空氣流體空心圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)是采用小直徑金屬短管以一定間隔布置在換熱管束之間,起到支撐傳熱管和導(dǎo)流作用。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:殼程間隙率大,流阻小,流速變化小,流體在空心環(huán)處可以充分形成湍流,增強(qiáng)傳熱;節(jié)約鋼材,減輕設(shè)備重量,鋼材的消耗量大大減少,所以,與傳統(tǒng)換熱器相比,空心圓環(huán)換熱器在投資費(fèi)用方面有很大的競爭力,可節(jié)省25%。3.5生成螺旋片螺旋片傳熱管是在光管上均勻布置螺旋片,有左旋片管和右旋片管之分。換熱器的換熱管布置情況是螺旋片管與光管交錯(cuò)排列,左右兩根管是螺旋片管,螺旋方向分別是左旋和右旋,上下兩根管是光管,放置在螺旋片上,不需要附加管束支撐。螺旋片能誘導(dǎo)生成渦旋流體,形成二次流,增強(qiáng)流體的湍流度,強(qiáng)化流體微團(tuán)混合,使壁面附近的流速梯度增大,從而減薄粘性邊界層底層的厚度,有效地提高傳熱系數(shù)。同時(shí)螺旋片形成的通道還增加了流體的流動(dòng)路徑,提高了流動(dòng)速度。數(shù)值模擬結(jié)果表明,螺旋片管的傳熱系數(shù)隨著螺旋角的增大而平緩增加,流動(dòng)阻力損失加大,傳熱性能明顯優(yōu)于光管,傳熱系數(shù)可提高40%~100%。4加強(qiáng)傳熱技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)4.1熱管的使用與管理強(qiáng)化傳熱技術(shù)正在蓬勃的發(fā)展,異形強(qiáng)化傳熱管的研究和探索已經(jīng)進(jìn)入高層次發(fā)展階段。傳統(tǒng)的異形管加工難度大、成本高,加工設(shè)備也比較復(fù)雜。改進(jìn)各種高效換熱管的制造技術(shù),或開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單的新型高效換熱管,實(shí)現(xiàn)高效換熱管結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)的簡單化,降低成本,提高設(shè)備的使用壽命,是推廣和應(yīng)用各種高效換熱管的前提條件,也是換熱器的重要發(fā)展方向。對(duì)螺旋管等槽紋管的研究也有待進(jìn)一步深化,這種傳熱管可以適用于除水和空氣以外更多的介質(zhì)中,在其它工質(zhì)中的工況如何還有待研究,另外,強(qiáng)化管的槽深、節(jié)距、螺旋角等特性的最優(yōu)化,會(huì)使強(qiáng)化管具有較好的傳熱與流體動(dòng)力學(xué)特性。表面多孔管用于相變換熱能夠有效的提高傳熱系數(shù),增加換熱量但是由于加工工藝的復(fù)雜性,至今沒能夠被推廣,隨著加工技術(shù)的提高,如果能夠簡化加工過程,減少加工成本,相變傳熱應(yīng)用這種傳熱管是一種理想的選擇。4.2強(qiáng)化傳熱技術(shù)的優(yōu)化組合縱向流換熱器的優(yōu)良特性,已經(jīng)引起更多的學(xué)者和工程技術(shù)人員的普遍關(guān)注。如果縱向流換熱器與不同型式的強(qiáng)化管組合使用,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)殼側(cè)與管側(cè)的傳熱強(qiáng)化。這種為實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)化傳熱技術(shù)的優(yōu)化組合仍需要進(jìn)一步的研究。縱流式管束支撐物對(duì)殼程流體流速的調(diào)節(jié)作用較小,只有在大流量下才能顯示出其優(yōu)越性。因而,在小流量或低雷諾數(shù)下如何提高縱流式換熱器的性能,是今后研究的一個(gè)重要方向。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和數(shù)值傳熱學(xué)的發(fā)展,各種數(shù)值模擬技術(shù)不斷地被應(yīng)用到強(qiáng)化傳熱技術(shù)中來,對(duì)各種支撐結(jié)構(gòu)的性能和殼程流場(chǎng)的特性的研究可以通過計(jì)算機(jī)模擬來完成,這種方法簡單、快捷,具有廣闊的應(yīng)用前景,這也促使了更優(yōu)化的傳熱組合的研究。4.3納米流體導(dǎo)熱系數(shù)以前對(duì)傳熱介質(zhì)的研究主要是針對(duì)它的流動(dòng)特性,對(duì)增強(qiáng)介質(zhì)換熱系數(shù)的研究很少。增強(qiáng)介質(zhì)的換熱系數(shù)是近些年新開辟的領(lǐng)域,并迅速受到重視,成為熱點(diǎn)課題。研究表明納米流體具有很好的傳熱功能,EastmanJ