（工程热物理专业论文）管内纵向涡发生器强化传热的实验研究.pdf

摘要 摘要 本实验是基于对开发管内强化传热技术提出的，高效传热管广泛应用于工业 应用中换热设备，如工业烟管式锅炉烟管的强化传热。管内强化传热技术有管内 插入扭转带、涡流发生器、扰流柱等或采用螺纹槽管、横纹槽管、内肋管等。本 实验研究是设想在光管烟管内壁安装一种新型的扰流子纵向涡发生器，实验模型 是在过渡流范围内，加热空气流过内置纵向涡发生器在常壁温条件下的冷却实验。 己对纵向涡发生器的研究仅限于将纵向涡发生器固定在平直通道内或平板上，研 究范围集中在单个或几个纵向涡发生器的传热规律，研究证明，纵向涡发生器可 有效地强化传热。本实验首次提出将纵向涡发生器安装在较长圆管内壁，布置很 多数目的纵向涡发生器，研究众多数目的纵向涡发生器布置的强化传热规律和机 理。 实验设计的三角纵向涡发生器的高度尺寸与半径的比例在约0 4 0 5 之间， 尺寸大小介于对整个管内流场产生扰动的各种扰流插件和管壁加工的传热槽管之 间，涡发生器沿圆周对称安置在圆管内壁，在管壁和管中心之间产生纵向涡，加 速管壁附近流体与管中心，加速管壁附近流体与管中心主流区的热质交换。其换热 机理既不同于扰流插件也不同于加工壁面的传热管。 鉴于纵向涡发生器在管内安装与平板上不同，重新设计了两种不同的三角纵 向涡发生器的形状，从不同的形状、尺寸大小和布置密度三方面研究对管内传热 强化的影响，对实验结果进行了比较和分析。实验研究中运用计算机编程简化计 算过程，列出数据表，绘出换热和阻力曲线图，进行了较为全面的误差分析，推 导出经验公式。将管内纵向涡发生器的强化换热效果和其它插件管、传热管的强 化换热效果进行了对比，对管内纵向涡发生器强化传热的实际应用进行了评价。 实验结果表明：在传热管道内壁面对称设置一定数目的成对三角纵向涡发生 器，产生的涡偶能有效地强化传热；在过渡流范围内，优选出一种有利于强化传 热的纵向涡发生器的形状，与光管相比，其换热增强了1 0 0 一1 3 0 ，阻力系数 增加了3 6 倍，强化传热性能指标( n u n u 。) ( f f 。) o ”，可用a 表示，为l ，3 1 3 5 ；r e 5 0 0 0 时，均匀布置数目较多的纵向涡发生器，布置间距为发生器高 度的9 倍最好，a 值较高，且传热有效锝到强化；实验分析表明，对于较高r e 数， 并不是纵向涡发生器的数目越多越好，均匀布置的各个发生器间距不能小于发生 器高度的8 - 9 倍，间距过小发生器的a 值急剧下降；在相同的r e 数下，n u 数和 阻力系数f 都是和管内布置的纵向涡发生器的个数呈一次线性关系，对于在流速 比较恒定的情况下，选择合理的发生器间距布置起到重要的指导意义。 华南理工大学工学硕士学位论文 插件式管内强化传热技术适用于层流，而管壁经过加工的传热管更适用于湍 流，而管内置纵向涡发生器在过渡流范围内的强化换热效果较好，且阻力不会增 加很多。一般的传热强化技术在过渡流区换热强化只有百分之几十，而管内置纵 向涡发生器的传热强化达到1 0 0 以上，是一种十分有效的强化传热技术，可应 用于管内为气体在过渡流区的换热设备，实验就应用于工业锅炉烟管进行了探讨， 适用于容量较小2 t h 以下的不超过二回程的锅炉烟管的传热。 关键词：纵向涡发生器强化传热过渡流 i i a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nl sb a s e do nh o wt oe n h a n c eh e a tt r a n s f e ri nt u b e s o fh e a te x c h a n g e r so rf l u ep i p e so fo i la n dg a sb o i l e ru s e di ni n d u s t r y t h em e a n so f t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt e c h n o l o g ya p p l i e dt ot u b e si n c l u d es e t t i n gv a r i o u s s h a p e s o fi n s e r t si nt h es m o o t ht u b es u c ha st w i s t e d - t a p ei n s e r t s ，a n dp r o c e s s i n g v a r i o u ss h a p e so fw a l lo ft u b es u c ha ss p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b e i nt h i sp a p e r ，an e w t e c h n o l o g yh a sb e e np r o p o s e dt h a tan e wt y p eo fi n s e r t s ，s m a l ll o n g i t u d i n a lv o r t e x g e n e r a t o r ，c a ne n h a n c et h eh e a tt r a n s f e ri nt u b e s t h i se x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht r i e dt o s e t t l el o n g i t u d i n a lv o r t e xg e n e r a t o r so nt h ei n n e rw a l lo fas m o o t ht u b er e g u l a r l ya n d t h e nr e s e a r c hi t sh e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s i ti st h ee x p e r i m e n t m o d e lt h a tt h et r a n s i t i o nf l o w ，h e a t e da i ra sh e a tt r a n s f e rm e d i a ，f l o w e dt h r o u g ht h e t u b ew i t hc o n s t a n tt e m p e r a t u r ew a l l t h er a t i oo f t h eh e i 。g h to f g e n e r a t o r st ot h er a d i u so f t u b ev a r i e sb e t w e e n0 4 0 5 ， a n dt h e h e i g h to fl o n g i t u d i n a lv o r t e xg e n e r a t o ri sn o tl o n g e rt h a nt h a to ft w i s t e d t a p e i n s e r tb u tl o n g e rt h a nt h a to fs p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b e l o n g i t u d i n a lv o r t e xg e n e r a t o r s a r ei n s t a l l e dt ot h ei n t e r n a lw a l lo ft u b es y m m e t r i c a l l ya l o n gt h ec i r c u m f e r e n c e c o n s i d e r i n g t h em e c h a n i s mo fh e a t t r a n s f e r ，w h e n a i rf l u i df l o w t h r o u g h t h e e x p e r i m e n t a it u b e ，l o n g i t u d i n a lv o r t i c e se m e r g e sb e h i n dt h eg e n e r a t o r , d i a m e t e ro f v o r t i c e si ss m a l l e rt h a nr a d i u so ft h ee x p e r i m e n t a lt u b e ，s ot h i sk i n do fv o r t i c e sc a n e x c h a n g ee n e r g ya n dm a s so f a i rf l u i df r o mt h ew a l lt ot h ec e n t e ro ft u b e m e c h a n i s m o ft h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti sq u i t ed i f f e r e n tf r o mo t h e rk i n d so fm e c h a n i s mo f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t i nt h ee x p e r i m e n t ，t w ok i n d so fd e l t al o n g i t u d i n a lg e n e r a t o r so fd i f f e r e n ts h a p e s a r ed e s i g n e d ；t h r e ef a c t o r sa f f e c t i n gh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n dp r e s s u r el o s sa r e c o n s i d e r e di n c l u d i n gt h es h a p e ，t h es i z ea n dt h es p a nb e t w e e ng e n e r a t o r sa l o n ga x i a l d i r e c t i o n i nt h i sp a p e r ，c o m p u t e rp r o g r a mw a sd e s i g n e dt os i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o no f m e a s u r e dd a t a ，e m p i r i c a lf o r m u l ah a sb e e nd e d u c e da n dc o o r d i n a t ec h a r ti sm a d e t h e g r a p ht a b l e sa b o u tn u n u 0a n df f 0 o fd i f f e r e n ts h a p e ，h e i g h ta n ds p a no f g e n e r a t o r s w e r em a d et o a n a l y z ea n dc o m p a r et h ed e g r e eo fh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n ta n d p r e s s u r el o s si nd e t a i l a tl a s t ，a p p l i c a t i o no fl o n g i t u d i n a lv o r t e xg e n e r a t o r si nt u b e s i s a n a l y z e dc o m p a r i n g t oo t h e rk i n d so fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt e c h n o l o g y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e ：t h ev o r t e xp a i rg e n e r a t i n gf r o m ap a i ro f l o n g i t u d i n a lv o r t e xg e n e r a t o r sc a ne n h a n c e h e a tt r a n s f e re f f i c i e n t l y ；a st r a n s i t i o nf l o w i i i 华南理工大学工学硕士学位论文 i nt h et u b e ，t h eg e n e r a t o ro f o p t i m a ls h a p ec a ne n h a n c eh e a tt r a n s f e rt ot h er a n g eo f 1 0 0p e r c e n tt o1 3 0 p e r c e n tc o m p a r i n gt os m o o t ht u b e ，a tt h es a m et i m e ，t h er e s i s t a n c e c o e f f i c i e n ta l s oi n c r e a s e3 - 6t i m e st h a nt h a to ft h es m o o t ht u b e t h eh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n tc r i t e r i a ( n u n u o ) ( f i f o ) o ”e x p r e s s i n ga sai sb e t w e e n1 3 - 1 3 5 w h i c h c o n s i d e rb o t hh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n d p r e s s u r el o s s ；d u r i n gt h et r a n s i t i o nf l o w r a n g e ，w h e nr e y n o l d s 5 0 0 0 ，t h eh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n tc r i t e r i ai sb e t t e ri fm u c hn u m b e ro f g e n e r a t o r sd i s t r i b u t ei nt h et u b e ；t h e s m a l l e s ts p a nb e t w e e n g e n e r a t o rs h o u l d n tb es h o r t e rt h a n8 - 9t i m e so ft h eg e n e r a t o r s h e i g h t ，o t h e rw i s et h ea i sv e r yl o w ；u n d e rt h es a m e r e y n o l d s ，n u s s e l tn u m b e r a sw e l l a sr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n th a sal i n e a rr e l a t i o n s h i pt ot h en u m b e ro f g e n e r a t o r s ，t h el a w o fw h i c hi si m p o r t a n tt od e t e r m i n er e a s o n a b l es p a nw h e na i rv e l o c i t yc h a n g e sl i t t l e l o n g i t u d i n a l v o r t e x g e n e r a t o r s m o u n t e di nt u b ec a ne n h a n c eh e a tt r a n s f e r e f f i c i e n t l y , w h i c h c a n a p p l i e di nh e a te x c h a n g ed e v i c e sw i t hg a sa sh e a tt r a n s f e r m e d i ai nt u b e si n m a n yi n d u s t r i a lf i e l d s ，a n da p p l i c a t i o n i nb o i l e rf l u e p i p e i s a n a l y z e da n dc o n c l u s i o ni sm a d e t h a tl o n g i t u d i n a lv o r t e xg e n e r a t o r si ss u i t a b l et ou s e t oe n h a n c eh e a tt r a n s f e rf o rf l u ep i p eo fb o i l e rw h o s e c a p a c i t y i su n d e r2 t h k e y w o r d s ：l o n g i t u d i n a lv o r t i c e sg e n e r a t o r ；h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ；t r a n s i t i o nf l o w 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：啄犯 日期：。哆年6 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密时。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：z 。d 岁年6 月哆日 日期：驯年( 月哆日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 实验研究的背景和意义 各种换热设备广泛的应用于在石油、化工、制冷空调等行业内，研究开发的 强化传热管多种多样，例如，在烟管式工业锅炉的烟管和其他类似管内以气体为 介质的换热器中，常用的是螺旋片式扰流子，结构简单，自8 0 年代中期以来，开 展了在烟管式锅炉的光管烟管内插入翅片管、扰流片和加小对流管等加强对流换 热的一系列研究，取得了一些有价值的成果，但阻力较大，而本实验研究的是一 种新型的管内强化传热技术，是在过渡流范围内，常壁温条件下，管壁内侧设置 纵向涡扰流子，载热介质为空气，目的是研究渡流范围内强化换热和阻力特性。 纵向涡扰流子产生旋转流，其旋转范围在管中心和壁面之间。其研究成果和理论 可广泛适用于各种换热设备中。 纵向涡发生器产生的纵向涡既不同于用于层流的强化换热技术，使整个截面 产生径向涡旋，也不同于用于湍流的强化换热技术，破坏边界层，而是在近壁处 产生纵向涡，使边界层和靠近边界层外的局部主流区发生动量和能量的交换，从 而达到强化换热的目的。本实验在管道横截面方向上装上对称分布的三角涡发生 器，使管内同一截面上分别产生对称的纵向涡扰流子，其旋转范围在管中心和壁 面之间，可将靠壁面被冷却的气体旋至管中心，同时将管中心温度较高的气体旋 至壁面，从而强化了传热。因而采用涡发生器一方面产生纵向涡强化换热，各自 对所在的管内相应位置进行局部换热交换，另一方面，不象层流强化技术那样使整 个流道的流动混和，而是局部扰动，从而控制了阻力的增长幅度。用于烟管锅炉 的烟管中，烟气处于层流向紊流过渡区时，更加附和温度场与速度场协同的条件。 各国内外对纵向涡发生器的研究很多，对于单个纵向涡的形状、大小和布置 角度对强化传热影响的有关研究较为详细，对纵向涡发生器产生的纵向涡速度场 的分析较为系统，诸多文献主要集中在研究单个和几个纵向涡发生器的形状和设 置对传热强化的效果和规律，因为设置简单，将纵向涡发生器设置在平直通道和 加热或冷却平板上，本实验研究首次将三角形状地纵向涡发生器设置在圆形管道 内，并且在较长的管道内壁排布数目很多纵向涡发生器，对多个发生器在管内的 不同布置对强化传热产生的整体效果进行了实验研究。将纵向涡发生器装设在传 热管道内，很大程度地扩展了纵向涡发生器的实际应用。 纵向涡发生器的安装与插件式的安装类似，先将一定数目的纵向涡发生器等 间距用细钢丝穿起来，穿在管内，将钢丝固定，使发生器底部紧贴管内壁，这种 安装方式简单，拆卸方便，成本很低，工业锅炉应用的插件式元件，如螺旋纽带、 本课题受国家重点基础研究项且“g 2 0 0 0 6 3 0 ”资助 华南理工大学工学硕士学位论文 z 型纽带“3 、扰流管等，容易积灰积炭，检修不便，在过渡流区的强化传热效果 减弱，阻力增加很快。各种内肋管如低横肋、纵向肋。1 、螺纹槽管、横纹槽管、 波纹管等加工管道，不仅加工成本很高，在r e i 0 0 0 0 使才能有效地强化传热， 因而在实际应用中，利用纵向涡发生器强化传热，成本低廉、安装方便、传热效 果好，可广泛应用于利用管内强化传热技术的换热设备中。 第一章绪论 1 2 传热管强化传热研究 1 2 1 管内强化传热机理 能源需求的解决一半依赖于开发节能技术。对流传热的强化和发展实际应用 最广，研究最多，对流传热的强化技术包括有源技术和无源技术两类，本实验研 究属于无源强化技术，无源强化技术是改变对流传热壁面的形式，增强传热效果， 前人总结出无源强化换热技术分为：处理表面、粗糙表面、发展表面、扰流元件、 涡流发生器、螺旋管、添加物和射流冲击等。有源强化技术包括机械搅动、表面 振动、流体振动、喷射吸出和电磁场等，也有一定的应用，无源强化技术只需向 流体提供动力，但是有源强化技术除了强迫对流换热必须供给流体的动力之外， 还需额外增加机械动力和辅助设备，增加设备投资，运行可靠性降低，因而应用 范围十分有限，目前应用和研究最多的是无源强化传热技术。在各行业广泛应用 到各种换热器，提高换热器的传热效率，使得各种通道的对流传热尤其是各种传 热管对流传热的研究有很大的发展。 本实验研究的是加热空气过渡区流动范围的恒壁温管内冷却实验，采用三角 涡发生器排列在管内，方面可产生径向涡，沿管轴向移动破坏边界层，与扰流 元件相似；一方面三角涡发生器在管内呈螺旋型分布，可能产生径向流，与涡流 发生器相似；另一方面，竖立在管内的三角面扩展了传热面积，形成发展表面， 但是，涡发生器和管内壁只是接触吻合，没有接触压力，所以接触热阻很大，而 且所有纵向涡发生器表面积仅为管内壁总面积的7 ，因而作为发展表面的换热 这一作用可忽略，实验只研究扰动速度场和温度场，产生纵向涡，可达到的强化 传热的程度和阻力特性。 传热流体的物性对强化传热形式的选择影响很大，高粘度流体如油类物质与 低粘度流体相比，在相同的速度下，r e 数小，因此实际应用中在流道内常常呈现 层流，流体的速度分布和温度分布在流道截面上呈抛物线分布，流体和壁面间的 温降发生在整个流动截面上，因此对层流换热采取的强化措施是使流体产生强烈 的径向流动，加强流体的整体混和，例如，在流动通道内设置内插螺旋扭带、涡 流发生器、静态发生器等，产生在整个流道截面上产生与主流方向垂直的二次流 动。另外，也可以采用各种翅化表面增加传热面积来强化传热。【l8 强化传热机 理是使管内产生螺旋流，离心力的作用和壁面的阻挡作用互相配合在横截面沿壁 面形成二次环流，促进流体的径向混和以强化换热。二次环流是在主流螺旋流的 离心力作用下产生的，其强度与流速远比主流弱，且随主流速度的增强而增强。 近年来提出种管内插件旗形件，是十分有效的强化传热技术，对于高粘度流体， 强化传热的幅度大于阻力增大的幅度，旗形件从流体的流动获得能量作拍翅运动， 华南理工大学工学硕士学位论文 在旗形件两侧周期性地形成减缩通道，从而给流体造成扰动，当流体流过旗形件 时，又分别在前缘和后缘拖出一对反向平行的马蹄形旋涡，在旗形件下游汇合， 加强了对流体的扰动。 粘性不高的流体如空气等，在很容易形成湍流，湍流运动中流体核心流，即 主流区的速度场和温度场都比较均匀，流动阻力和对流换热热阻主要存在于贴壁 的粘性层流底层中，p r 数越高，层流底层的温度梯度也越大。由此可见，对湍流 换热采取破坏边界层的方法，增加边界层的扰动以减薄边界层，增加边界层内和 主流区的动量和能量交换，温度梯度进一步增大，传热量增加，主要手段是在管 内设置表面粗糙扰流元件，破坏边界层，增加湍流度。如各类表面粗糙元、粗糙 肋，其高度和管径之比在1 5 的范围内。为达到最理性的强化传热，往往将扰 流元件的尺寸和边界层高度联系起来分析，过高的扰流元件虽然能增加核心流湍 流度，增强湍流核心部分的传热，但是其受益与阻力损失增加相比得不偿失，湍 流强化传热绕流元件的尺寸不宜过大。在湍流换热状态下采用壁面扰流元件增强 传热的幅度，常常是随流体p r 数的增加而增大。这是因为流体边界层中的相对热 阻总是随着p r 数的增大而增大，所以破坏边界层对高p r 数流体强化传热效果十 分显著，由于气体的p r 数只有0 7 左右，在湍流状态下采用扰流元件的强化传热 效果较差。气体用作传热介质的换热设备最有效的方法是采用发展传热表面，扩 展热交换面积，采用各种翅片以增加传热面积，使换热量增加到几十倍，由于管 内部空间有限，制作加工难度大，阻力增加幅度大，适合设置管外翅片，管外为 气体的换热器，可以有效地提高换热系数。本实验为气体在管内流动的换热实验， 所以依靠涡发生器造成的湍流扰动来强化传热。 以上都是传统的强化传热的方法，侧重于改变流体流动的速度场，来达到强 化传热的目的。自9 0 年代以来，另外的一些新的强化传热研究也得到了发展。管 壁对流换热，最终是通过紧贴管壁的层流边界层，以导热的方式将热量传给壁面， 扩一a 剥 哕1 w ，上式表明，提高热流密度可用两种方法实现，一种是提高温度梯度， 一种是增大传热工质的导热系数。传统的强化传热方法大多是改变流体流动的速 度场，减薄边界层，提高壁面边界层的温度梯度，但同时增大流动阻力。不改变 流体的速度场但能增大壁面温度梯度或提高流体导热系数的方法是强化传热的理 想方法，与管内流动方向上垂直设置纤毛肋就是一种有效的强化传热的方法，在 流动通道内设置一些垂直于流动方向的极细的导热系数很大的金属丝，纤毛肋极 细，填充率很小，对流动影响不大，但对于气体传热介质，其导热系数小，相对 于气体介质纤毛肋的导热系数很大，为流体的几十乃至几百倍，加入肋相当于提 高肋流体的导热系数，从而能强化传热， 1 别 4 第一章绪论 在气体传热工质中加入各种不同直径的固体颗粒，也可有效地强化传热，为 气一固载热剂，一方面固体微粒的热容量远远大于气体，因而可实现在体积流量 很小的情况下热容量大幅度地增加，在较小的输送功率下传热介质，携带很大的 热量固体微粒，节省了输送功率，另一方面，固体微粒从核心流穿过过渡层可对 边界层扰动，减小热阻，还可由于气体的速度差别引起相对运动，增强气体相互 间的湍流混和，使传热增强。 利用多孔体强化传热也是传热的研究方向之一，多孔介质内流体的流动存在 着弥散效应，其作用与湍流中的涡流相似，能使流体分子团产生径向掺混，使径 向温度分布均匀平坦化，用金属丝编制的金属网和金属刷等多孔体内插物可强化 管内传热，文献 2 0 】和 7 得出结论金属丝的编制方法不同得到不同的金属丝网格 形状，网格形状是传热强化和阻力增加的主要因素，小空隙率( e 9 5 ) 绕花丝多孔体管内换热，由于弥散效应形成 的流动是螺旋流加上随机的径向位移的复杂的三维流动，在极低的雷诺数下可转 变为湍流状态，同时由于空隙率大，阻力增加不是很大，换热增加的幅度等于或 高于阻力系数增加的幅度，是很有效的管内强化传热技术。 1 4 】 射流冲击强化传热技术就是利用压差使单相流体法向或斜向喷射到加热或冷 去的表面，流程短，可减薄和破坏边界层。 华南理工大学工学硕士学位论文 1 2 2 国内外管内强化传热综述 无源强化技术分为处理表面、粗糙表面、发展表面、扰流元件、涡流发生器、 螺旋管、添加物和射流冲击等，另外，还有组合形式的强化传热技术，如三维内 肋管内插旗形件、粗糙管内插扭曲带等，各种对流换热形式分为自然对流、强制 对流层流、强制对流湍流、流动沸腾、凝结和池内沸腾等。不同形式的强化传热 技术针对性地适用于特定的对流换热形式。 各种处理表面，利用机械加工、电化学腐蚀和烧结的金属丝网等方法，处理 表面的尺寸很小，目的并不在于扰动边界层，如果将传热表面处理成多孔性表面， 增加了汽化核心的数目和气泡脱离速度，用于增强液体沸腾或蒸发的传热过程； 如果加工成锯齿形表面，可促进凝结液的迅速排走以免凝结液增厚而增加蒸汽与 传热面之间的热阻，用于蒸汽强化凝结设备。 加工成粗糙表面强化传热技术，例如粗糙表面上加工的粗糙元形状各异，包 括有随机或有规律分布的各种沙粒型三维粗糙元、各种螺旋肋、重复肋、沟槽和 各种碾轧槽管等。应用于湍流强化传热，粗糙元的尺寸很小，可增加湍流近壁区 流体的湍流度，减少粘性底层的厚度以降低热阻，对于液体和气体都有增强传热 的作用，尤其对于p r 数较高的液体传热效果更佳，粗糙表面对流体作层流运动时 是不起作用的。 一般地，强化传热粗糙表面包括压花形、低横肋、螺纹槽管、螺旋线圈内插 物和内肋管等。换热强化1 5 一5 8 0 不等；阻力系数增加的幅度更大。缺点是 安装困难，成本高，推广难度较大。其机理是粗糙表面能使粘性低层内旋涡“爆 发”核的数目增多，使边界层厚度减薄。各种槽管式传热管在石油、化工的换热 器中得到广泛应用，高效横槽管可作为列管式换热器最主要的换热元件，实验研 究证明，当介质为蒸汽一空气时，管内空气侧的对流换热系数比光管提高6 9 一 7 3 ，阻力增加1 1 9 一1 3 0 ；当管外为蒸汽冷凝，管内为冷却水时，横槽管的 总传热系数比光管提高了5 0 一7 0 ，而阻力只增加了1 1 0 一1 3 0 ，横槽管与 同节距的螺旋管相比，阻力增大的比率要小得多，且传热系数提高约5 1 0 。p 1 近年来的研究表明三维内肋管是与其他粗糙管相比是种较好的传热管，将 管内壁加工成离散型的小四面锥体的类似形状，以一定的肋密度按顺排和错排的 方式布满管内壁，肋高只在2 m m 之内，三维内肋管对于空气、水和其他一些液 态介质都有很好的强化传热效果，不仅在湍流状态下，在层流和过渡流范围内的 传热也很显著，如表1 1 所示，【1 0 】在相同泵功率下，以空气为介质，几种采用 强化传热的强化管与光管换热量的比值，三维内肋管与光管的换热量之比最高可 达2 8 7 ，空气流在肋后形成脱流，发展为涡流区，扰动边界层，肋密度越大，这 6 第一章绪论 样的涡流“爆发核”越多，强化传热越显著，另外流体在肋间的加速和流体周期 性的扩、缩流动造成的流体振荡，进一 步强化了传热。【l u 在过渡流区，相同 r e 下三维内肋管的n u 数是光管的3 1 4 0 倍，利用三维内肋管设计空气预 热器，与螺纹管空气预热器相比，减小 了体积和总重量，但是它的造价略高于 螺纹管空气预热器。 三维内肋管作为一种高效传热管得到日趋广泛的应用。实验表明：以水为工 质在紊流区内三维内肋管同光管相比换热强化倍数可达4 倍；以乙二醇为工质， 换热最强的三维内肋管与光管相比，过渡流区换热强化倍数平均可达4 5 倍，同 时流阻增加约3 倍；层流区换热强化倍数约为2 4 倍，流阻仅增加约0 6 7 倍。 1 2 发展表面扩展管内换热面积，装置各种翅片增加传热面积。热效果显著，换 热量可增加几十倍。【1 4 发展表面包括外翅片和内翅片，发展表面翅片的高度比 粗糙表面的高度大得多，主要目的是扩展传热面。翅片合理设置，对于管内层流 和湍流都有成效。在实际应用中，管子内部空间受限制，制造困难，成本高，影 响了推广应用。外翅片在制冷系统中的空气一制冷剂换热器中应用广泛，传热管 外为空气，传热管束外以胀管式的方法安装矩形平翅片，扩展换热面积，在外翅 片上开不同形状的槽、圆孔可使流动边界层分段发展，达到强化传热，这种改进 的外翅片比平翅片的传热系数最大增加2 9 5 ，而阻力增大不超过8 。 1 3 j 在传热流道的入口处或整个流道内放置扭曲带、螺旋叶片或静态混合器，可 以使流道内的层流运动产生强烈的径向涡流运动，从而有效地提高流道内的层流 换热，但是，这类设置对于湍流状态下的传热增强比起层流时要低得多。各种内 插物可以增进流体流动径向位移如盘式静态混合器，可使换热增强1 5 0 一2 0 0 ，阻力系数增加9 倍一1 6 倍，但是阻力增加幅度过大。d 4 换热强化机理是适 用于层流状态下，雷诺数低，温度梯度分布在整个管截面上，边界层厚。与管壁 相互作用使流体分子团在低流速下产生宏观的径向位移，形成径向一轴向的叠加 混合流动，使管内主流区内流体不同温度各部分分子团之间的混掺增强，温度截 面平坦从而使换热增强。但其阻力系数的增加更大。另外一类的内插物，如进口 处安装涡流发生器、内插螺旋纽带等换热系数可增加3 0 一8 0 ，但阻力系数提 高了1 4 倍。制造与安装简便，成本低，有一定的强化效果，在工程中得到一定 的推广。气体在管内的流动一般属于湍流流动，因此采用扭血带强化传热并不显 著，但是，如果气体用作高温通道内的冷却介质，扭曲带则可接受来自高温壁面 的辐射能而起到扩展表面的作用，其传热增强达3 5 倍。d 8 实际应用中还有其他一些无源强化传热技术，如与传热介质流动方向垂直的 华南理工大学工学硕士学位论文 多排圆形或椭圆形的扰流柱，一般横贯流动通道，也可从中间断开，常设置在高 温物体内部冷却的通道内，不仅对冷却介质的扰动起很大的作用，而且还可增加 传热面积，常见应用于燃气轮机高温涡轮叶片的尾部弦向冷却通道中。螺旋管和 扭曲管都是将管段扭曲变形，螺旋管时将管段围绕轴心线成一定角度弯曲成形， 外形如弹簧，扭曲管是沿管长本身扭曲的椭圆管，应用于换热器，流体在弯曲的 流道中产生与主流方向垂直的二次流动，有效了增强层流状态下的换热过程。 】8 】 在大多数情况下，强化传热管的换热强化幅度比阻力增长速度小，阻力增长 幅度小于传热增长幅度的传热管更为有效，m e g e r i n 和b e r g l e s 等直径0 1 m m 的 不锈钢丝编制成网式和刷式的多孔体内插物进行了管内换热强化的实验研究。换 热强度提高了9 0 0 ( 网式) 和5 0 0 ( 刷式) ，但阻力系数却提高了6 0 倍，此时 多孔体的空隙率为8 0 。许多关于多孔介质内的换热研究结果问指出，多孔介质 引发的弥散效应能强化换热且与空隙率、多孔体形状与尺寸以及通道的形状与尺 寸等诸多因素有关。文献 1 4 对多孔体插入物管内换热进行了实验研究，水作为 工质，编制的大空隙率( 9 5 ) 的金属丝网作为多孔体，则得到理想的强化 传热效果，提出多孔体强化管内换热在r e = 1 0 4 左右，换热系数的增长与阻力系 数的增长量级相同，在更低的流速下，换热的增长幅度可以大于阻力的增长幅度， 此种强化传热技术开发成高效绕花丝式管壳式换热器，已在工程实际中运行，比 原有管壳式换热器的换热强化一倍到数倍，达到与板式换热器相当的水平。 在传热管段的入口处，安装旗形动态插入件，传热系数的增长幅度大于阻力 增长幅度，早在1 9 8 7 年，j l f e r n a n d e z 和r o b e r t p o u l t e r 提出旗形动态插入件强 化传热，在水平圆管的入口处，在一根直径0 1 m m 的立柱上校接一矩形铜片，铜 片随管内流体的流动作拍翅运动，从而加强对流体的扰动，增强了换热，用水作 载热介质，换热系数增大1 2 倍时，流阻仅增长0 4 倍。 2 1 文献 15 1 7 系统研 究了油类介质在内插不同形状参数的旗形件管内传热和阻力特性，采用比矩形旗 形件传热效果好的梯形旗形件，后掠角和宽度是影响管内传热规律的决定因素， 管入口处安装单个旗形件，研究发现在旗形件后涡流扰动的范围为9 倍管径的距 离，当1 4 6 p r 2 0 51 0 6 7 r e 6 8 5 7 ，换热系数与光管之比a a o 最大可达1 8 ，而阻 力系数与光管之比f f 0 仅为1 2 ，传热综合性能a 值为1 1 3 1 5 9 。如果在管内均 匀安装多个旗形件，在上述实验条件范围内，c 【a o 高达4 1 ，而压降之l e k p a p o 最高 只有3 4 ，传热综合性能a 达2 9 5 。 1 7 旗形件不失为一种很好的强化换热技术， 但是对于长对传热管道，加工难度很大。 将两种以上强化技术综合应用称为复合强化技术，例如在粗糙管内或螺旋管 内在加入扭曲带等插入物，旋流器与旗形件的联合强化传热等。合理的组合可使 传热强化机理强化传热效果进一步增强。 第一章绪论 1 3 纵向涡发生器研究总结 1 3 1 纵向涡强化传热机理 国内外研究表明，当流体掠过是可以产生纵向旋涡的纵向涡发生器有多种类 型，典型的有三角形状、矩形形状的纵向涡发生器，只要是粘性流体，都可产生 旋涡，纵向涡是旋转轴与来流方向一致的旋涡，直角三角翼纵向涡发生器由于阻 力小，换热强，有关的研究文献较多，图1 1 为纵向涡发生器产生纵向涡的示意 图，本实验的研究对象为三角形状的纵向涡发生器，但来流掠过时并不只产生单 纯的纵向涡，即涡面与来流方向垂直，旋转轴心与来流方向平行，同时还产生横 向涡，横向涡的旋转轴心与来流方向垂直，涡发生器实际产生的旋涡是纵向涡和 横向涡的合成旋涡，旋涡的旋转轴倾斜一定的角度，纵向涡与横向涡相比，更加 有利于换热的强化。一般认为，涡发生器产生的纵向涡是强化换热的主要因素。 啄多 图1 1 单个纵向涡发生器参数及脱落涡旋示意图1 8 1图 - - 2 一对纵向涡发生器纵向涡产生示意图 当流体流过一定攻角设置的涡发生器时，涡发生器的上下存在压力差，导致 流体在涡发生器的前缘发生边界层的分离，在分离区形成纵向涡，而在涡发生器 的后缘，由于压力的急剧上升诱发其他流体分离产生回流区，纵向涡及分离流体 在大约5 8 倍涡发生器高度的距离处又与壁面重新接触。【2 叫 纵向涡发生器致使换热强化的机理在于一是造成热边界层的分离，二是纵向 旋涡改变了流体的流动结构，三是流场的不稳定性和湍流度加强。 流体在管内流动时，在管截面温度分布和速度分布并不是均匀的，在管截面 上成抛物线的形式分布，在热边界层和流动边界层，普朗特数p r 为1 时，热边界 层的厚度和流动边界层的厚度相等，实验中的流体介质为空气，普朗特数p r 为 o 7 左右，热边界层厚度大致等于流动边界层的厚度。边界层的厚度越小，温度 梯度越大，与壁面的换热量越大，强化传热的效果就越好，通过减薄、破坏和分 离边界层的方式能有效地强化换热，这是研究各种形式管内强化换热的主要机理 之一。气体粘性不高，很容易在管道的进口处就形成紊流，流体核心流的速度场 和温度场分布均匀，流动阻力和对流换热热阻主要存在于贴壁的流体粘性底层中。 在本实验研究中，纵向涡发生器以一定攻角设置，就是在与来流垂直的方向上有 9 华南理工大学工学硕士学位论文 一定的宽度，阻止流动边界层的发展，在分离区域产生涡流，使流动边界层遭到 中断和破坏，发生器上游边界层内的流体卷入核心流区，与主流相混合，加强传 热传质，达到强化换热的效果。 流体在掠过纵向涡发生器后产生了纵向旋涡，继续向下游流动，一段范围内 存在。单个三角涡发生器后形成一个纵向旋涡，如图1 3 所示，是不同于核心流 流动的二次流动，这个纵向涡二次流有一个明显的旋转中心，二次流的合成速度 围绕旋转中心旋转，在纵向旋涡的径向方向上随半径的增大而增大，之后又随半 径的增大而减小，旋涡沿着主流方向半径逐渐增大，但旋涡的强度逐渐减弱，由 于流体的粘性存在使二次流在质量传递过程中发生能量耗散和管壁面的摩擦作 用，导致了纵向旋涡的沿主流方向上的衰减。纵向旋涡旋转可使贴近壁面的流体 速度增加，其轴向流速远高于自由流的速度，而且在轴线的很大范围内保持着高 速，由于每个横截面上的质量守恒，因而高速流体的增加必定以低速流体的增加 作为补偿，纵向涡的产生改变了原先主流流场的流动结构。一对三角纵向涡发生 器沿主流方向轴对称设置在壁面上，当流体掠过时产生的一对纵向涡，即纵向涡 偶，如图1 4 所示，合成速度分布特性与单涡相似，沿下游主流流动方向，旋涡 的半径逐渐增大，涡偶之间的距离逐渐变宽，但在两个相邻的纵向涡之间，产生 的二次流速度同向，指向壁面，叠加而成的二次流速度比单个纵向旋涡要高，因 此在两涡交界处的法向速度梯度为零，涡偶的粘性耗散比单涡小，对流体流动结 构的影响比单个纵向涡大，涡偶比单个旋涡衰减缓慢，可在纵向持续较长的距离， 并对传热产生较大的影响，一对纵向涡发生器产生的涡偶比单个纵向涡产生的单 涡的强化换热效果要好。 1 8 1 ，一- 、i i ，一、：、 贼| ! j 、_ ，一， 。一一，l 、。 图i 一3 单涡速度矢量图图1 4 涡偶速度矢量图 纵向涡发生器后在纵向涡产生区域，各质点有三个速度分量“、v 、w ，沿来