第5章管内强化传热学.ppt

第五章 管内壁面扰流强化传热 管内粗糙元、扰流子、管内翅片等 处理表面：铸造、热轧、冷作、烧结金属丝网、机械加工、电化学腐蚀等方法形成多孔表面、或锯齿形表面。 5.1壁面扰流强化传热机理 管内湍流热流密度 对于湍流如果采用扭曲带等插入物，由于主流部分εh的平均值已经很高，且中心部分的q值比壁面上的低得多，因此主流部分的温度降的减小是很有限的。所以在湍流状态下，应该采用壁面扰流装置，而不是管内插入物。 Pr数较大的流体采用近壁扰流装置的收益较大。 壁面扰流装置的种类众多，但机理大同小异，都是当流体经过这些扰流装置时产生流动脱离区而形成强度不同、大小不等的旋涡，增强了近壁区的湍流度，从而提高液体与壁面间的对流换热系数。 如果粗糙肋的节距过大，流体经脱离区达到传热面后，由于没有得到后面粗糙肋及时的继续扰动，在传热面上将形成层流底层并逐步增厚，传热效果降低； 而s/h≤5,流体经粗糙肋时发生的旋涡不能充分发展，涡旋强度减弱，难以考虑到增强传热作用。 最佳的s/h大体在7~10之间。 粗糙肋的最佳形状及几何参数 螺旋肋与重复肋的传热性能接近，而前者加工更为方便。对粗糙肋而言，它与管子轴线成50~60度时的强化传热性能指标　　　　最高。 在粗糙肋端部表面上有很细凹槽（二次粗糙元）时可使阻力下降6~8%; 粗糙肋宽度的增加将使流体的阻力及换热强度下降，而阻力下降得更快些； 粗糙肋端部沿流向作成下倾斜面，也能使流体经过粗糙肋时的阻力减小； 粗糙肋端部及根部作成小圆弧形，可以改善粗糙面的传热性能； 当粗糙肋节距较大时(s/h10)，如果在肋间表面上加设沟槽，可以使传热性能得到进一步的提高。 三维粗糙元与二维粗糙肋 通常，连续的肋或槽都属于二维粗糙元，流体流过这类粗糙面时，沿高度和流向的速度是变化的，形成二元流动。 如果粗糙肋或槽沿横向是断开的，于是这些粗糙元就变成一个个独立的突起物或凹坑，流体经过时形成三元流动。 St与Nu一样也反映 换热系数h的作用。 5.2 碾轧槽管的传热性能与流动阻力 轧槽管是一种性能优良且较容易加工的粗糙元形式。 从圆管外面按照设计要求碾轧出一定节距和深度的横槽或螺旋槽，在管子内壁就形成凸出的横肋或螺旋肋。 可同时对管内外两侧流体起到增强传热的作用。 管内形成的扰流元件是端部呈半圆形而根部为圆弧形的连续肋，有助于减小阻力和提高换热系数。 横槽管 内径为13.8mm的黄铜管上碾轧h/D=0.025~0.11, s/h=9~45的16种横向轧槽　管，以空气做试验。 换热系数随h/D的增大而变小，但s/h的最佳值增大。 h/D的最佳值大约在0.03~0.04。 更大的h/D值能够使换热系数进一步提高，却会引起过大的阻力损失。 管外半圆形凹槽的传热性能也可比光管高出30%~50%. 螺旋槽管 在s/h7,Re≥104及Pr≥ 0.7情况下，h/D=0.037时达到St数的第一个最大值。 在s/h7及h/D不是很大时，换热系数总是随着h/D和h/s的增大而加大；传热面积F随着参数h2/(Ds)的增大而减小。 应用螺旋槽管对于Pr数高的流体得益较大， h2/(Ds) 0.6后趋于水平，可见过分增大螺旋深度h值是没有意义的。 单程螺旋槽管的螺旋角β并不是独立的，它是s/h和h/D的函数。 由于轧槽方法不同，材料性质的差异都影响螺旋槽管的性能，而管内半圆形突起物的具体尺寸又难以测量，任意选用他人的经验公式往往会导致较大的误差。 对于一般二维或三维粗糙管，其流动阻力的增加率往往超过换热系数增加幅度。但对于螺旋槽管，在h/D≤0.022时，可以实现换热系数增加的幅度超过阻力系数。但其换热强化比一般不超过2。 轧槽管对于管内流体的膜态沸腾换热可增加3~8倍；对于泡核沸腾换热强化比为1.8~4倍；对于过冷沸腾只能增加30~40%。 应用 冷凝器：同时增加管内冷却水和管外凝结蒸汽对管壁的换热。对管内冷却水的传热可增加2.5~3倍，对管外蒸汽凝结换热系数能提高2~3.4倍。美国通用油品公司采用螺旋槽管作为电厂冷凝器传热管，使冷凝器内管数减少15%，长度缩短44%，节省总传热面积30%，设备投资费用下降近10万美元。 螺旋槽管用于火管锅炉管内烟气传热，使锅炉钢材消耗量下降一半。 螺旋槽管用于余热锅炉，换热系数1.5增加倍，阻力增加2倍。 轧槽管外壁的凹槽还能减少管壁上的盐分沉淀，不易结垢。 5.3 带内翅片圆管内的对流换热 由于管内空间有限，翅片高度和翅片数目都受到很大限制，因此翅化率Ff/Fs比外翅管要低得多。 管内翅片在存在不仅在一定程度上增加了传热面积，而且也较大地改变了流体在管内的流动型式和阻力分布。 湍流运动时，需要比较相同泵功率下各种内翅管的换热系数，作为评价准则。 层流运动时，流体的换热准则Nu与Re无关。 湍流运动时，直翅片的存在