管内对流换热影响因素及其强化分析

管内对流换热影响因素及其强化分析

摘要: 从影响管内对流换热的因素出发，对近年来国内外学者的研究成果进行了综合分析，包括管内流体流动状态、表面形状、物性、脉动等对管内对流换热的影响。介绍了利用缩放管、金属泡沫管、纳米流体、高压电场等强化换热的方法。对中高温太阳能热利用系统中大温差管内对流换热的应用及其强化方法进行了展望。

关键词：管内；对流；换热；强化换热

Influencing Factors and Enhancing Methods of

Convective Heat Transfer in Tubes

Lei Changkui

Safety Engineering Class 1002 1003070210

Abstract: Some factors were summarized systematically according to the research in China and abroad in recent years, including convection flow state,phase-transformation,geometric factors, fluid pulse, fluid physical properties and viscosities. At the same time,some methods of enhancing heat transfer in tubes were also summarized,such as additives,electro-hydro-dynamical,metal foam filled pipes etc.Finally,the characteristics and the method of heat transfer enhancement were analyzed in high-medium temperature solar power systems.

Key Words: tube,convection,heat transfer,heat transfer enhancing

0 引言

管内对流换热过程广泛存在于化工、动力、制冷及太阳能热利用等工程技术领域的各种热交换设备中，是一个传热温差和流体流动阻力并存且相互影响的复杂传热过程。近年来，随着市场经济的发展，热交换设备迫切需要符合节约能源、节省材料和降低成本的要求，这对强化设备的换热提出了更高的要求。众所周知，热量传递方式有热传导、热对流以及热辐射三种，因此强化传热的方法也势必从这三个方面来进行。作为热交换器中管内热流体的主要传热方式，管内对流换热的强化在热交换器强化换热研究中占有极其重要的地位。本文从理论及已有实验的角度对管内对流换热的影响因素及其强化换热的方法进行分析，以期对太阳能中高温热利用中大温差管内对流强化换热的研究提供指导和借鉴。

1 管内对流换热的理论分析

1．1 边界层理论

边界层是由于流体的黏滞性，在紧靠其边界壁面附近，流速较势流流速急剧减小，形成的流速梯度很大的薄层流体，又称为流动边界层[1]。1940年德国普朗特提出著名的边界层概念后，经过发展，流体力学的研究已经证明，黏性流体存在着两种不同的流态: 层流(Re＜2

000)及湍流(Re>10000)。层流是流体微团沿着主流方向作有规则的分层流动，而湍流时流体各部分之间发生剧烈的混合，因而在其他条件相同时湍流传热的强度自然要较层流强烈。湍流时的传热除贴壁的滞流内层外，湍流核心的速度分布和温度分布较为平坦，主要热阻存在于滞流内层中。由于滞流内层极薄，温度梯度甚大，所以湍流传热强度远远超过层流。对于强制对流，若忽略自然对流的影响，其一般准则数关系式为

Nu=f(Re 、Pr)

在一定范围内，这个关系式可整理成如下形式:

()()Nu C Re Pr m n

= 式中,Nu 是努塞尔数；Re 是雷诺数；Pr 是普朗特数；系数c ，指数m 、n 依影响因素不同由实验测定。

1．2 场协同理论

针对静止坐标系下的流动换热问题，有学者从二维层流边界层能量方程出发，重新审视了热量输运的物理机制，把对流换热比拟成有内热源的导热过程，并指出热源强度不仅决定于流体的速度和物性，而且取决于流速和热流矢量的协同: 流动的存在可能强化换热，也可能并无实质贡献甚至减弱换热，并以二维平板层流边界层问题为例提出了场协同理论[2]，得到了Nu 数与温度梯度之间的关系，定义了表征速度场和温度场协同程度的场协同数Fc ，其中Fc 的表达式为

Pr

Re ∙=∇∙=⎰Nu y Td U Fc

场协同理论提出以来，对于其在静止坐标系下的应用研究得到了广泛的关注和发展: 从抛物型方程拓展到椭圆型方程；通过磁场改变方腔自然对流速度场，强化换热，将传递势容耗散极值原理应用于对流换热，获得了黏性耗散一定的条件下的最优速度场；把场协同理论的应用从层流拓展到湍流，提出采用多纵向涡强化管内对流换热的场协同强化方法；研究了脉冲流动和壁面振动问题中的传热问题，提出为了改善速度和温度梯度场的协同，应使脉动能改变垂直于换热壁面方向的速度分量。

1．3 有效能分析

有效能指的是动力设备对流体实际做功的那部分能量。在管内对流换热中，流体因其不可逆性引起的流动摩擦阻力和温差传热，导致能量贬值，即有效能的损失。在热物性对有效能损失影响的研究中，目前对有效能的研究只是针对层流的情况。师晋生等[3]针对壁面定热流加热的管内对流换热有效能损失进行了研究，分析了黏度变化的影响。结果表明，温差传热时管内液体近壁处流速增大，换热系数也增大，在热流不变的条件下，壁面温度与流体平均温度差将减小，实际温差传热有效能损失会减小，由流动引起的有效能损失更会减小。这是因为近壁处液体流阻系数减小，这样总的单位热容有效能损失将减小。

1．4 脉动分析