第4章传热学无源强化

第四章对流换热的无源强化无源强化技术不需要附加设备和附加动力，工作可靠，应用最多。通常随着对流换热的增强，传热介质的压力损失和唧送功率也将迅速增加。按照不同对象和要求选择简单、经济、高效的强化传热方法。分为整体强化传热表面（用机械加工、电化学腐蚀或者焊接各种扰流元件或多孔体所构成）和插入物、旋流、添加物、射流等。2023/2/514.1管内插入物对传热的增强在大容器中使用的搅拌方法在管内不易直接使用；通常利用静止的流体混合装置，即利用各种管内插入物使流体产生径向流动，从而加强流体的混合、促进管内流体速度和温度分布的均匀并获得管壁与流体间较高的对流换热系数。由于流体二次流动和摩擦面积的增加，将使流体经过含插入物管子时的压力损失和泵功率大大增加。节省的机械功率可以补偿泵功率，且没有机械转动部分，工作非常可靠。2023/2/52混合元件：沿管长装满丝网多孔体或金属螺旋刷；Sulzer静止混合器；扭曲叶片；Kenics静态混合器；扭曲带2023/2/534.1.1含扭曲带管内的流动及传热特性结构最简单S为节距，是扭转180度的轴向长度，D与管内径相等。扭曲比y=S/D扭曲比越小，扭转程度越高，流体在管内的压力损失和换热系数也越大。SD适合于层流运动，如果是湍流，流体主流部分的混和本来就比较强烈，扭曲带的增强作用就低得多。而阻力损失很大，不合算。2023/2/54（1）阻力系数含扭曲带圆管的水力直径管内放置1根直条时取δ/D=0.05管内含直条时与空管的速比平方为2023/2/55压降管内含直条时的压降与空管压降之比管内含扭曲带时由于径向二次流的存在以及流动途径的增长，阻力损失更大。有经验公式计算。2023/2/56（2）传热系数Lopina-Bergles经验公式计算含扭曲带管内湍流运动流体被加热时松配合F=1;紧配合F=1.25流体被冷却时可见对湍流强化很有限例如：松配合，扭曲比y=2和3，流体冷却情况下，换热强化比分别=1.33和1.12023/2/57对层流换热作用比较显著。水和乙二醇乙烯为传热介质的含扭曲带管内层流换热经验公式为绝大多数实验点的偏差在±25%以内Re/y>10后，与空心管相比，换热系数可增大2~10倍。2023/2/58扭曲带置于管子进口部分扭曲带可以只置于管子进口部分。流体离开扭曲带后由于惯性仍然保持旋转状态，但强度逐渐衰减。换热效果差一些，约降低20%；但阻力损失也减小约85~100%。2023/2/59扭曲带在内翅管中的复合传热既用内翅增加传热面积，又使扭曲带增加对流换热系数。马达油在含扭曲带的内翅管中换热和阻力试验的结果。在等壁温加热或冷却时，流体的换热经验公式为：含扭曲带的内翅管比空心管优。当马达油被冷却时，呈现层流运动的特性，阻力系数与Re成反比；被加热时，近壁处流体粘度降低，阻力系数明显下降，呈现某种湍流度的影响，即阻力系数与Ren成反比,n<1。相同泵功率下，流体被加热时的换热系数比冷却时要高。2023/2/510扭曲带置于粗糙管内的传热特性光管＋扭曲带粗糙管＋扭曲带粗糙管光管1优于22023/2/5114.1.2

Kenics静态混合器扭曲带做成一段左旋，一段右旋，后段扭曲带的前缘与前段扭曲带的后缘错位90度相焊接，交替连接成串。扭曲比y=1.5~2。Genetti公式:2023/2/512圆管内的层流换热，Sieder-Tate公式：层流条件下，与空心管相比，相同泵功率下含静态混合器流道内的换热强化比：对于y=2,Re=200~2000时,Nu/Nu0值在等泵功率下为1.83~2.79。2023/2/513算例传热介质：氟利昂113装有的Kenics静态混合器的垂直管Re=1000~5500,实验管内径12.7mm，y=1.56种布置方式：沿加热管全长装满50个混合元件沿加热管均匀布置25个混合元件，并用不锈钢丝相连，元件之间距离相同沿加热管上游段布置25个混合元件沿加热管上游段布置12个混合元件沿加热管上游段布置6个混合元件沿加热管上游段布置3个混合元件2023/2/5144.1.3自由旋流对换热的强化用进口处的涡流发生器使流体在传热管中发生自由旋流，从而增强传热过程。涡流强度沿着流程是逐渐降低。涡旋强度用管内旋流角动量Mθ与轴向动量Mx之比表示在自由旋流中，流体的摩擦系数f可从测得的总切应力τ求得2023/2/515Lc滑动气室长度，反映初始涡旋强度2023/2/516θ壁面涡流角θ0初始壁面涡流角2023/2/517随着壁面热流密度q值的增加，等泵功率下的自由涡旋换热强度比也随之增加，但是Nu/Nu0沿管长的衰减率也随q值的增长而加快。2023/2/5184.1.4螺旋管内的换热规律螺旋管换热器因制造简单并有较大的换热系数，因此在工程上有广泛应用。流体在螺旋管内会形成2个对称的涡流。Dd流体在螺旋管内流动时受到离心力作用，流体从管子中心部分由螺旋管内侧流向外侧壁面，造成内侧低压区，在压差作用下流体从上部和下部壁面流回内侧。流体的这种二次流动与轴向主流复合成螺旋式的前进运动。2023/2/519螺旋套管式换热器2023/2/520Dean准则是决定螺旋管内流动相似性的唯一因素，其物理意义是流体作圆周运动时引起的离心力与粘性力之比。螺旋管内流体温度分布螺旋管内侧换热系数较外侧的低。临界雷诺数(适用范围0.0012≤d/D≤0.067)内侧外侧2023/2/521层流运动时传热强化比Nu/Nu0随Dn数增加而增大；而其它方法一般是随Re数减小而效果愈加显著。内侧外侧流体Pr的影响也与其它方法不同，像空气这样Pr不大的流体在高Dn螺旋管中竟然会有良好的增强传热作用。2023/2/522螺旋管内湍流运动时的对流换热强化比最大只有1.1~1.26在壁面高热流密度时，液体产生过冷沸腾，离心力使蒸汽泡集中到螺旋管内侧壁面上，这将不利于汽泡脱离，使临界热流密度qcr降低。质量流速愈高、比值d/D愈大，qcr也愈低。螺旋管内的质量沸腾的比直管更高。且随着d/D值及质量流速的提高而增加。在G≈1000kg/(m2s)时，qcr达到最大值，然后随着G的增加而逐渐下降。液态金属除外(其强化比很小)2023/2/5234.1.5添加物对流体传热的影响添加物有在工艺过程中自然形成的，也有为了满足某种需要而故意加入的。如催化剂、减阻剂。例子：流化床：固体粒子浓度极高的气-固悬浮体，用于工艺、生产及煤粒燃烧。气体中喷入雾状水滴以增强气冷表面的传热效应；液体中加入气泡或某些溶剂以增强换热；液体中掺加高分子聚合物、纤维或固体微粒以降低流动阻力等。2023/2/5242023/2/5252023/2/526传热增强幅度主要取决于传热流体能否在壁面上形成液膜。在较低壁温下混合流中的水份可能渗透、凝聚到壁面上，取代气体边界层，构成水膜内边界层，气水边界层在水膜外面。由于水膜传热能力比气膜高得多，因此换热系数有很大增加，最高可达30倍。2023/2/527换热强化主要集中在圆柱体的前半部；后半部由于水膜脱离及没有水滴冲击，换热系数大为降低，并与水份含量M和位置关系不大。前缘后缘2023/2/528M－水份含量NuL平均值随Re数和M的增加而不断增大。例：Re

=3×104,M=0.04,查得NuL=67,水在40℃时λ=0.633W/(mK);气-水雾状流换热系数αL=42.4/D.对于单相气体传热可得αg=2.72/D,雾状流比单相气体传热提高15倍。而从圆柱体前半部的换热增强则可达几十倍。2023/2/529雾状流对单相空气的换热强化比α/α0的实验结果：图3-24利用水－气雾状流冷却半导体器件可比空气在平行平板中的换热系数提高20倍；在冷冻系统或凝汽器中利用水膜蒸发来增强空气侧的传热，以减小体积或冷却系统功率消耗。2023/2/5304.1.6流化床与埋管间的传热流化床原来用于石油化工企业的各类反应器中。为了取走反应中产生的热量或者输入进行反应所需要的热量，在流化床的固体粒层中埋入传热管束。多年来有着流化床固体粒层与埋管间传热的研究和运行已积累了大量的资料。流化床燃煤锅炉：由于煤粒在流化床中剧烈翻腾而引起流化床与埋设的锅炉管之间的换热系数猛升，因此传热管数目可以大为减少，从而缩小炉膛体积和提高炉温，并能使用普通炉子无法燃烧的劣质煤。因掺入石灰石而消除燃煤中的含硫成份，改善环境。2023/2/531当气流速度增加到能吹起固体颗粒而形成悬浮体时就成为流化床。这里颗粒重量为流体作用于颗粒的压差所平衡。流态化开始时的气流速度称为临界流态化速度umf；此时流化床的孔隙率称为流化床的起始孔隙率εmf。在流化床中固体颗粒比气体重几千倍，气流只有在较大压差下才能吹动颗粒，需要有较高的umf值。在固体颗粒层中产生的气泡猛烈扰动颗粒，使悬浮的粒子在容器内剧烈翻滚，与垂直或水平管束周期地发生短暂的接触和脱离，从而导致流化床内固体颗粒与埋管间的强烈传热。2023/2/532流化床与管子间的换热过程由三部分组成，即粒子导热、气体换热及辐射：运动着的固体颗粒与埋管间的不稳定导热；在直径大于1mm的大颗粒床内和在较高的流化床压力下，气体的对流换热起着重要的作用；当流化床温度高于900K时必须考虑辐射换热的贡献。2023/2/533锅炉埋管与流化床之间的传热非常复杂。从流化床方面来说：煤粒的形状与尺寸颗粒与气体的热物理特性气体的压力和流速流化床的孔隙率从锅炉管方面来说：管子的形状与尺寸是否有翅片及翅片的几何尺寸管子间的节距管束的排列方式（垂直/水平，叉排/顺排）2023/2/534当气体速度低于umf时属于固定床换热，换热系数随速度提高的增加率很小；在气体速度大于umf后换热系数随速度提高而迅速增大，可达1~2个数量级；有最佳速度，之后换热系数随速度提高而逐渐下降。2023/2/535水平管束的传热：[95]认为换热系数主要受到水平节距Sh的影响,垂直节距Sv≥2D时,不论顺排叉排，换热系数与Sv无关。[97]认为叉排换热系数比顺排大约高出30%。2023/2/5364.1.7射流冲击将液体通过圆形或狭缝形喷嘴喷射到固体表面进行冷却或加热的方法称为射流冲击，这是一种极其有效的强化传热方法。由于流程短而边界层很薄，因此换热系数比通常管内换热要高出几倍以至一个数量级。用途：纺织品、纸张、木材等的干燥，玻璃的回火，钢材的冷却及加热，内燃机活塞的油冷等；航空发动机涡轮叶片的冷却已广泛采用冲击冷却技术；计算机高热负荷微电子元件的冷却。2023/2/537射流可以是单束的也可以排列成矩阵。单束射流分为圆形和狭缝形（或称为平面射流）两种。单束射流流场分为三部分：自由射流驻点流壁面射流射流工质在与壁面垂直方向上强烈冲击壁面，法向速度变为零，因而具有最强的传热效率工质流速逐渐减小，边界层增厚。但也可能会发生层流向湍流过渡，使局部传热强化。2023/2/538传热系数的径向分布大致是钟形，但若射流喷嘴距离壁面较近时，局部传热率可能出现两个峰值。H/D有最佳值2023/2/5392023/2/540国际著名传热专家Bergles提出第三代强化传热技术概念，指出现代强化传热技术的发展已经不仅仅是单一技术的使用，而是多种技术的复合应用。根据场协同理论对射流冲击的强化传热机理可作出深入的解释：流动的流场方向与温度梯度方向之间的协同程度，对传热效率有重要作用和影响。由于射流方向与传热方向完全一致，因而射流冲击具有最高的传热效率。射流冲击作为最有效的传热手段，不仅从实践上而且从理论上也得到证明。2023/2/541圆形浸没射流冲击传热工质：FC72和R113喷嘴直径d=987μm和d=534μm。h=q/(