《强化传热技术进展》课件

1、强化传热技术进展,一、 强化传热技术简介,强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是采用强化传热元件,改进换热器结构,提高传热效率,从而使设备投资和运行费用最低,以达到生产的最优化。 强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差三种,强化传热研究的主要任务是改善、提高热传播的速率，以达到用最经济的设备来传递规定的热量，或是用最有效的冷却来保护高温部件的安全运行，或是用最高的热效率来实现能源合理利用的目的,二、强化传热的主要途径,强化传热技术就是当高温流体和低温流体在某一传热面两侧流动时，使单位时间内两流体间交换的热量Q增大。从传热速率方程式Q=KAtm可知，扩

2、大传热面积A、加大平均温差tm和总传热系数K均可提高传热速率，在换热器的研究、设计和使用操作中，大多均从这三要素来考虑强化传热过程,1、 采用高效能传热面,为了加大传热面积A而增加换热设备体积，会给制造、安装、操作带来困难，显然不是最佳方案。应提高换热器的紧凑性，用最少的材料费取得最大的传热量，即增加单位体积设备的有效传热面积。其主要措施包括,1) 合理布置受热面。采用合适的管间距或排列方式(叉排)，不仅可加大单位空间所能布置的传热面积，还可以改善流动特性；采用合适的导流结构，管外改横向冲刷为纵向冲刷，并最大限度地消除管壳式换热器挡板处的传热不活跃区,2) 扩大热传递面表面积。采用高、低翅片管

3、、螺纹管等，或直接将管子表面用轧制、打扁或爆炸成型等方法制成凹凸形、波纹形、椭圆形及扁平状等，这类传热面共同特点是加大传热面积和促进湍流，因而传热效率很高，但要注意流体阻力也迅速增加,3) 采用紧凑式换热器。与管式换热器相比,因单位体积的增大波纹平板式、螺旋板式、板壳式及板翅式等换热器的传热系数可增加数倍以上，很有发展前途。但同时制造工艺、运行检修及力学性能方面也存在不利的因素,4) 提高原有热传递表面。将表面憎水性的涂层或涂上多孔性的覆盖层等，这除了增加表面积和粗糙度外，还改变了表面的润湿性和汽化核心数目，对于有相变换热的增强往往具有特殊意义。如凝汽器的传热管表面即可做此处理,2、 加大平均

4、温差tm的措施,1) 尽量采取近于逆流的传热方式。逆流平均温差大于顺流平均温差。但对于各种多程折流或交流即有顺流又有逆流在任何条件下都有利。 2) 提高热流体温度或降低冷流体温度。若条件允许，提高热流体的温度T或降低冷流体t，都能加大其温差T-t，从而加大tm。但要防止当温度过高或过低可能出现的结垢、物料沉淀或结晶等现象，导致传热恶化。因此在设计中必须考虑该问题,3、提高总传热系数,提高总传热系数K是当今传热强化研究的重点。平均面传热的计算公式为：1/K=1/1+R1+/+R2+1/2式中1/K为传热总传阻， 1、2为传热面两侧的对流传热系数，R1、R2为两侧污垢热阻。 减小对流传热的热阻。即

5、提高两侧的对流传热系数 1 、2，具体改变 1 (或2)方法,减小污垢热阻。运行中的传热设备期表面常有结垢或结灰,这会导致传热速率降低,严重时效率降幅可达30% 目前设计均是根据经验或半经验,以作为估算K值的依据。有时为满足工艺传热要求,认为选取较大的污垢热阻比较安全可靠,这就要加大传热面积,但这将使介质流速降低,从而反会降低传热效率,三、 强化传热技术概况,从强化的传热过程来分，分为导热过程的强化、单相对流传热过程的强化、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，也将其称为有源强化技术和无源强化技术，主动式强化

6、技术和被动式强化技术,强化对流传热，它主要在扩大加热管的有效面积但又不过分增大流阻的条件下，将加热管子内外表面扎制成各种不同的表面形状,促进流体产生湍流,提高传热性能,强化沸腾传热是通过改良传热表面的性能，来强化沸腾传热，这种表面改良既要符合传热机理的要求，也要充分发挥其特点，如表面多孔管、管内表面涂层等都可以使汽化核心的数量大大增加，从而使沸腾传热系数大幅度提高,液膜传热也是一种很好的强化传热方式，降膜蒸发为液膜传热的一种形式，目前降膜蒸发设备常用的有板式降膜蒸发器和管式降膜蒸发器两种。为了强化传热、提高传热效率，在平板降膜蒸发的基础上，开发了异形坚板等降膜蒸发器；并对直管式降膜蒸发器进行了

7、改进和大量研究，波纹管降膜蒸发器就是在此基础上发展起来的一种新型强化传热的蒸发设备,1、 无功技术,除了输送传热介质的功率消耗外，不再需要附加动力,粗糙表面,包括从随即的砂粒型粗糙度到不连续的突起物等许多构造形式所构成的粗糙表面。在这种管内，流体的流动阻力和换热系数决定于粗糙元的高度和稀密程度。当粗糙元高度低于层流底层厚度时，粗糙元完全浸没在层流底层内，它的流动阻力和换热系数和光滑管相同。只有粗糙元突出在层流底层外面，才开始对流体的运动产生扰动作用，高出越多，扰动作用越强，换热系数因此而增大，流动阻力也相应增加,扩展表面,包括管内和管外的扩展表面,如管外翅片、凹凸不平、开槽、百叶窗式肋片和内肋

8、管，通过扩大传热面积来减小对流传热热阻，从而达到强化传热的目的,处理表面,对传热表面进行机械加工或涂层。例如开槽、碾压、滚花、轧制、模压、焊接、烧结、沉积以及喷涂等,以形成凹陷、空穴,其粗糙高度低于影响单相传热所需的高度,扰流元件,包括轧槽管、针肋、螺旋肋、重复肋和沟槽。当流体流过这些装置时,将会产生流动脱离区而形成强度不同、大小不等的漩涡。这些漩涡改了流体的流动结构,增强了近壁区的流体湍流度,从而提高了对流换热系数,涡流装置,为了提高管内层流状态下的换热系数,可在管内插入金属网、扭曲带、静态混合器、环、盘等元件,使流体产生径向流动,加强流体的混合,促进管内流体速度和温度分布的均匀性,因而可使

9、换热系数提高,添加物,液流中的添加物,包括单相流中的固体颗粒和气泡,以及沸腾系统中的微量液体添加物。气体中的添加物有液滴或固体颗粒,射流冲击,流体通过圆形或狭缝形喷嘴直接喷射到固体表面进行冷却或加热的方法。由于流体直接冲击固体壁面,流程短而边界层薄,所以其换热系数比一般的管内流动要高好多,2、 有功技术,需要应用外部能量来达到强化传热的目的,机械搅动,各种型式的搅拌器在对流换热主动式强化技术中应用最为广泛,它是利用机械传动带动搅拌器,促使高粘度流体很好地混合,从而增强流体与加热器或冷却器之间的对流传热。常用的搅拌器有螺旋式、叶片式和锚式,前两种用于粘度较小液体,锚式主要用于高粘度液体,表面振动

10、和流体振动,表面振动最直接的方法是用电力振动器，也有的用电机带动偏心轮装置来实现。这种方法在工程中是较难实现的，因为换热设备质量大，振动起来也易损坏。于是又提出另外一种方法，即流体振动。流体的振动可用流动间断器或电压转换器来实现，振动频率可以从1Hz到106Hz,电磁场,由于电场中电荷运动与流体速度场偶合而引起的现象，可以显著地改变流体的运动规律，并加强流体混合，因而可使传热增强,喷注,包括通过多孔的换热表面向流动液体中喷注气体,或在换热段的上游喷注类似的液体。在表面上去除液体中的气体的过程,也能产生与喷注类似的强化效果,抽吸,包括在泡态沸腾或膜态沸腾中通过多孔的加热表面除去蒸汽,或在单相流中

11、通过多孔的加热表面排出液体,复合强化技术,复合强化技术，即将两种或两种以上的强化措施同时应用。例如粗糙管内或螺旋管内再加热扭曲带等插入物，在含有插入物的管内或内翅管中，放进传热流体的添加物、粗糙管壁面有流体质量透过等等，以期获得更好的强化传热效果,四、 强化传热技术的应用场合,上述强化传热技术，有的只适用于特定的某些传热介质和传热过程，有的则对所有对流换热状态都有不同程度的强化作用,例如，各种处理表面对于沸腾和凝结传热都有很好的强化作用，但对于单相介质，却由于扰动作用过小而对流动及传热不起作用；各类粗糙表面，由于边界层的破坏可以大幅度地提高湍流状态下的换热程度，而在层流状态下却因热阻并不集中于

12、近壁层中，因此只有螺旋型粗糙元才能使流体产生旋流而对传热过程起一定的强化作用,螺旋管、涡流发生器和机械搅动等，对于层流换热都有显著的增强作用，但对湍流换热系数的提高却收效不大；强电场的存在，不仅可以增强单相介质的层流换热，而且对于增强凝结和沸腾状态下的传热也有明显的作用；各种不同形状的扰流子和扩展表面，对于无相变和有相变的换热过程都有一定的强化作用，其中扩展表面尤其适合于气体换热装置,五、 强化传热性能的评价准则,在进行强化传热研究时，目的是提高系统的经济性和确保设备的安全运行，追求尽可能高的设备功率和系统的热效率。在实际选用强化措施及有关参数时，应该全面考虑以下几个问题： 采用强化措施后，设

13、备功率的增加和系统热效率的提高，或设备体积减小、传热介质输送功率降低等效果究竟有多大； 采用所选择的强化传热措施后需要增加多少费用，工艺复杂性如何，能否批量生产,采用的强化方法与传热介质的相容性如何，能否保证强化传热性能持久有效； 采用强化措施后，能收到多大的经济效益,要确定一项强化传热新技术是否先进，必须对其进行评价。对采用强化传热技术的换热器与普通换热器的效应进行评价时，对于表面式换热器(假定管外换热系数远大于管内换热系数)，一般遵循以下原则： 在换热功率、工质流量与压力损失相同时，比较二者的换热面积和体积,2) 在换热器体积、工质流量与压力损失相同时，比较二者的换热功率； 在换热面积、换

14、热功率与工质流量相同时，比较二者的压力损失。但上述评价方法只考虑了单侧的换热效果，虽有一定参考价值，但不可避免地带有片面性,综合换热评价是在考虑了换热管内外侧换热(即总传热系数)的情况下，综合考虑其换热功率、工质流量、压力损失及换热器体积4方面因素，因而比上述方法更能反映出强化传热的实际综合效果。而进行技术推广应用时，还应考虑采用强化换热技术后管子等价格的增加和运行费用的变化，应用经济核算的方法进行评价,六、 强化传热新技术简述,1、 纵向涡旋发生元强化传热 纵向涡旋发生元强化传热是一种新型的强化传热方法。纵向涡旋发生元通过产生涡旋，破坏边界层,，对传热起强化作用。强化效果取决于所产生的涡旋的

15、强度 旋向 走向和涡旋间的相互干扰等，而这些又与纵向涡旋发生元的结构 形状 大小 方位 数量以及不同发生元间的距离相对传热壁面的位置等因素有关,2 、 EHD强化传热 电水动力学(EHD)强化传热是在流体中施以外加电场，利用电场与流场和温度场的相互作用而达到强化传热目的的一种主动强化传热方法。EHD强化传热具有设备简单、应用面广、功耗低和强化传热效果显著等一系列优点，已逐步成为国内外传热学中的一个重要研究领域,3、相变传热技术 相变材料与热(冷)表面接触，发生融化(凝固)，将明显强化表面换热，也可从有内热源的稳态导热与固液相变传热的相似性出发进行分析。这对固液相变强化传热机制的认识，对改善固液

16、相变传热强化技术有一定的指导意义,七、 强化传热技术研究方向,1 、 制定行业设计规范 各种强化传热手段都有一定的适应性，受操作参数、工质等条件的制约，微小的变化都会影响其强化效果，故至今尚未有普遍适用的可供工业设计使用的公式图表。随着设备向超大型和超细微方向的不断发展，有效利用能源以及积极开发新能源工作的日益开展，有必要在工程应用的同时，深入这方面的理论研究，结合有关计算机数值模拟软件，探索出一整套普适性的设计方法规范，以便推广应用,2 、 研究各种换热过程的强化问题来设计新颖的高效换热器，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。 3 、 微尺度换

17、热器开发 它是一种在高新技术领域中具有广泛应用前景的前沿性新型超紧凑换热器，有诸多方面值得继续探索,4 利用模拟和可视化技术,换热过程与流体流动方式密切相关，在生产实践中人们往往根据生产要求和实践经验确定流体在换热器中的流动方式。考虑到流体介质、热负荷及设备规模等的差异，通常难以比较哪种流动方式更有利于换热。加上强化管技术的应用，因流动状态及通道几何形状的改变,使强化传热的机理更难以全面、系统地阐述清楚。因此借助激光测速、全息摄影、红外摄像仪等“可视化技术”和CFD数值模拟软件等,才有可能对换热器的流场分布和温度场分布的情况进行比较深入地了解，彻底弄清强化传热的机理,5 纳米流体研究,纳米流体

18、：即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成一类新的传热冷却工质。 在液体中添加纳米粒子，可显著提高液体工质的传热性能，其主要原因有一下几方面：1)增加了液体的表面积和热容量；2)增加了液体的导热系数；3)由于粒子与粒子、粒子与液体、粒子与壁面间的相互作用及碰撞，使传热增强。 随着换热器表面强化技术的发展,低导热系数的换热工质已成为研究新一代高效换热器的主要障碍。目前要继续实现更高负荷传热要求,必须从工质入手,6、场协同效应研究 这是当前研究的热点，目的是研究各种场，如速度场、超重力场、电场等对传热的协同效应，在此基础上开发第三代传热技术。场协同原则可以统一现有单相传热强化理论，并可以发展系列的传热强化和控制的新技术，传热强化的同时，泵功率增加较少，节能效果明显，易于工程应用,六、 强化传热新技术简述,1、 纵向涡旋发生元强化传热 纵向涡旋发生元强化传热是一种新型的强化传热方法。纵向涡旋发生元通过产生涡旋，破坏边界层,，对传热起强化作用。强化效果取决于所产生的涡旋的强度 旋向 走向和涡旋间的相互干扰等，而这些又与纵向