强化传热 文献综述

华北电力大学研究生结课作业

学年学期：2014—2015第二学期

课程名称：强化传热

学生姓名：

学号：

提交时间：2015.3.26

强化传热文献综述

摘要：研究各种传热过程的强化问题来设计新颖的紧凑式换热器，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，因而研究和开发强化传热技术对于发展国民经济的意义是十分重要的。本文主要总结了管内强制对流换热和强制对流沸腾换热、管束中强制对流换热、大容器沸腾换热和凝结换热的强化方法。以及管壳式换热器和管内置扰流元件的强化传热的研究进展。

关键词：强化传热；粗糙表面法；扩展表面法；扰流元件；机械强化法;静电场法

引言

工质的流动和传热在动力、核能、制冷、化工、石油乃至航空、火箭和航空等工业中是常见的。这些工业的换热设备中广泛存在着各种传热问题。以动力工业中的火力发电厂为例，蒸汽锅炉本身就是一个大型复杂换热面。燃料在炉膛中燃烧生产的热量，需要应用多种传热方式，通过炉膛散热面、对流蒸发受热面、过热器及省煤器加热工质，是工质汽化、过热成为能输往蒸汽轮机的符合要求的过热蒸汽。此外，在锅炉尾部还装有利用排出烟气加热燃烧所需空气的空气预热器。在电厂的热力系统中还装有各式给水加热器、蒸汽凝结器、燃油加热器等。在这些设备中也都存在各种各样的传热问题。换热器的合理设计、运转和改进对于节省资金、能源、金属和空间而言是十分重要的。

1 强化传热的目的和意义

1.1目的

减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；减少换热器的阻力，以减少换热器的动力消耗。

1.2意义

研究各种传热过程的强化问题来设计新颖的紧凑式换热器，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，因而研究和开发强化传热技术对于发展国民经济的意义是十分重要的。

2换热器中强化传热的途径及分类

2.1途径：

增加平均传热温差；扩大换热面积；提高传热系数。

2.2分类

从被强化的传热过程来分，可分为导热过程的强化、单相对流换热过程的强化、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两类。有功强化传热技术包括：机械强化法、振动强化法、静电场法和抽压法等。无功强化传热技术包括：表面特殊处理法、粗糙表面法、扩展表面法、装置强化元件法和加入扰动流体法等。

3提高传热系数来强化传热的技术

3.1单相流管内强制对流换热的有效强化方法

使管内流体发生旋转运动。流体发生旋转可是贴近壁面的流体速度增加，同时还改变了整个流体的流动结构。在采用各种有效的使流体旋转的措施后，增加了旋转流体的流动路

径，加强了边界层流体的扰动以及边界从流体和主流流体的混合，因而使传热过程得以强化。具体可行的方法有：在管内插入各种可使流体旋转的插入物，诸如纽带、错开纽带、静态混合器、螺旋片以及螺旋线圈等；在管子内壁上开设内螺纹；采用滚压成型的螺旋槽管和在管壁上带螺旋内肋片的内肋管。

3.1.1扭带

插入管内的扭带和流体相互作用会引起旋转流体中生成复杂的二次流漩涡现象。同时还会出现边界层中流动缓慢的流体和流核区流体相互混合的现象。这些现象无疑将使流动阻力增大。我们将这一附加阻力增量称为旋转流体的漩涡流动损失。管内插入扭带以强化传热的方法存在一定的缺点。当换热器管子中采用插入扭带的方法来强化传热过程中，常须消耗大量钢板。此外当Re数增大时，采用扭带插入物的强化传热效果将减小。再者，扭带插入管子后，将管子通道分隔成两部分。当这种管子用于脏流体时，易造成管子堵塞。

3.1.2螺旋片和螺纹槽管

在管内插入螺旋片和采用压制而成的螺纹槽管以强化传热，就可以改进这些缺点。螺旋片的宽度h和螺纹槽管的螺纹高度比管子内直径小得多，所以制造所需金属量要比纽带少得多。螺旋片插入物和螺纹槽管的强化传热机理，是同时应用了使流体旋转和使流体周期性地在螺旋凸出物区域受到扰动的原理来强化传热，所以能保持较高的传热强度。对插有纽带管子的紊流强度分布进行的测定表明，管中近壁区的紊流强度较弱。因而，要强化传热主要应使这一区域中的流体发生旋转，以增加其紊流强度而不需使全部流体旋转。纽带的作用是使全部流体旋转，因而阻力较大。流体在插有螺旋片的管子和螺纹槽管中流动时，流体的旋转主要发生在强化传热所需要扰动的近壁区域。因而与插有纽带的管子相比，在高雷诺数时，这两种管子能在低阻力损失情况下，保持和插有纽带管相近的传热效果。

3.1.3螺旋线圈或静态混合器

在管内插入螺旋线圈或插入静态混合器也可有效地增强传热效果。螺旋线圈由直径为3mm以下的铜丝或钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。静态混合器是由一系列串联布置的左、右扭转180度的短扭转元件组成。每一原件的前缘与前一元件的后缘互成90度接触。每一元件扭转180度，其长度和管子内直径的比为1.5。前一元件为右旋，后一元件为左旋。各元件互相焊成一体插入管内构成一种强化传热管。在插有螺旋线圈的管子中，在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以是传热强化。由于绕制线圈的金属丝直径较细，流体旋转强度也较弱，所以这种管子的流动阻力相对较小。螺旋线圈自身所起的肋片传热效应不大，可略而不计。关于静态混合器强化传热的机理，现在一般认为是这样的，流体流入第一个元件时被分为两股，各自在相应的半圆形流道内作旋转运动。当流体流到下一个元件时，这两股流体再次被分隔。由于下一个元件的旋转方向相反，因而使流体质点沿流程交替地由管子中心流向管壁以及按相反的方向流动。在这种流动过程中，流体经过反复不断的分割和正反方向的旋转使流体得到均匀的径向混合。这种流动过程中，流体经过反复不断的分割和正反方向的旋转使流体得到了均匀的径向混合。这种流体方式有效地加强了主流和近壁区域的径向混合，减小了流体在径向的温度差和速度差，从而强化了传热。

3.1.4内肋管

采用内肋管也可增强换热量。应用内肋可起到两个作用，一是提高管内工质到管壁的换热系数；另一是降低管壁温度。直的内肋管不扰动管内的流动，螺旋内肋管中的流动工况和螺纹槽管的相似。管内存在肋片后，由于湿周增大，所以通道截面的当量直径减小。由于当量直径的减小和内壁换热面积的增大，使直内肋管的换热系数高于光管的。因而在相同的换热量时，与光管相比可保持较低的管壁温度。螺旋内肋管也同样具有这样的作用。