（动力机械及工程专业论文）管内置入梯形波带内插件强化传热实验研究.pdf

= = 羔一y 2 1 7 8 95 6 管内置入梯形波带内插件强化传热实验研 摘要 面对世界能源短缺，不断开发新能源和发展节能新技术已成为一个重要的研 究课题。强化传热已被广泛的应用在许多工业领域，如：能源、动力、化工、冶 金、机械、食品、交通、航空与航天等，其性能直接影响到能源的利用效率，所 以换热装置强化传热的研究已成为节能工程的重要方式。本文主要采用强化传热 的理论分析和试验研究的方法对内置梯形波带的强化传热特性进行系统的实验 研究，主要的研究工作内容如下： ( 1 ) 将对流换热的理论基础应用于内置梯形波带换热器管程强化传热与流 体阻力特性研究，表明通过增设管内置梯形波带使换热管内流体团块移动到壁面 后，沿梯形波带斜片回到中部流动，以提高其传热的系数，增强换热特性。 ( 2 ) 通过理论分析了梯形波带强化传热机理，对管内置梯形波带换热器的换 热元件进行了设计。制造完成了不同的结构形式和组合形式的内置梯形波带扰流 元件。 ( 3 ) 根据管内置梯形波带强化传热的实验要求和实验目的，本文设计了强化 传热的换热实验装置，并对换热装置进行理论分析和计算，验证了实验装置的切 实可靠，并分别用了两种不同黏度的流体进行换热元件的实验研究。 ( 4 ) 利用换热装置平台，对管内置梯形波带换热元件进行试验研究，得到管 内置梯形波带换热器传热系数h 与管内介质流体的流速v 关系曲线及管内置梯形 波带换热器的管程流体阻力p 曲线。管内置梯形波带换热器与光滑管的换热器相 比，换热效率提高了约1 2 6 2 2 0 。 ( 5 ) 本实验通过强化传热性能的评价准则对插入梯形波带扰流元件后 的换热管进行传热的综合评价，得出梯形波带扰流元件可以使换热器的换热性能 得到加强。 关键词：强化传热，梯形波带，试验装置，对流换热 管内置入梯形波带内插件强化传热实验研究 青岛科技大学研究生学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo ft r a p e z o i d a l - w a v ee n h a n c e dh e a t r n rn 1 r a n s t e rm1 u d e a b s l c t f a c i n gt h ew o r l d se n e r g ys h o r t a g e ，a n dc o n s t a n t l yd e v e l o p i n gn e we n e r g ya n d n e we n e r g y - s a v i n g t e c h n o l o g yh a v e b e c o m ea ni m p o r t a n t r e s e a r c h i n gt o p i c s t r e n g t h e nh e a tt r a n s f e rh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i a lf i e l d s ，s u c h 嬲： e n e r g y , p o w e r , c h e m i c a li n d u s t r y , m e t a l l u r g y , m a c h i n e r y , f o o d ，t r a n s p o r t a t i o n , a v i a t i o n a n da e r o s p a c e ，a n di t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l ya f f e c t st h ee f f i c i e n c yo fe n e r g yu s e s o ，t h e e n h a n c e dh e a te x c h a n g e rd e v i c e h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tw a yo fe n e r g y - s a v i n g p r o j e c t s t h i sp a p e ru s e sas y s t e m a t i ce x p e r i m e n t a ls t u d yo fe n h a n c e dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so ft r a p e z o i d a lw a v ew i t ht h eb u i l t i nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，t h em a i nr e s e a r c hw o r ka r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ro ft h et h e o r e t i c a lb a s i su s e di nb u i l t - i nt r a p e z o i d a l w a v ew i t hah e a te x c h a n g e rt u b es i d eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n df l u i dr e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s ，i n d i c a t i n gt h a tt h et u b et h r o u g ha d d i t i o n a lb u i l t i nt r a p e z o i d a lw a v e w i t ht h eh e a te x c h a n g et u b e sw i t h i nt h ef l u i dm a s st om o v et ot h ew a l la l o n gt h e t r a p e z o i d a lw a v ew i t ho b l i q u ep i e c eb a c kt ot h ec e n t r a lf l o w , i no r d e rt oi m p r o v et h e h e a tt r a n s f e rc o e 伍e i e n ta n de n h a n c et h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s ( 2 ) b yt h eo r e t i c a la n a l y s i so ft h et r a p e z o i d a lw a v ee n h a n c e dh e a tt r a n s f e r m e c h a n i s m ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt r a p e z o i d a lw a v eh e a te x c h a n g e rc o m p o n e n t si n t h et u b e p r o d u c e da n dc o m p l e t e dt r a p e z o i d a l w a v es p o i l e re l e m e n t so ft h ed i f f e r e n t s t r u c t u r a lf o r m sa n dc o m b i n a t i o n s ( 3 ) b yr e q u i r e m e n t sa n dp u r p o s eo ft h ee x p e r i m e n to ft r a p e z o i d a lw a v eb a n d e n h a n c e dh e a tt r a n s f e r , t h i s p a p e r h a sd e s i g n e de n h a n c e m e n th e a tt r a n s f e r e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s ，a n d d o n et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fh e a t e x c h a n g e r , v e n f yt h a tt h ee x p e r i m e n t a ld e v i c ei sp r a c t i c a la n dr e l i a b l e t w od i f f e r e n t v i s c o s i t yf l u i d sw e r e u s e df o re x p e r i m e n t a ls t u d yo f h e a te x c h a n g e rc o m p o n e n t s ( 4 ) u s i n gt h eh e a te x c h a n g e rd e v i c ep l a t f o r m ，b u i l t - i nt r a p e z o i d a lw a v ew i t ha h e a te x c h a n g e re l e m e n tp i l o ts t u d yo nt h et u b e ，g e tt u b eb u i l t i nt r a p e z o i d a lw a v ew i t h h e a te x c h a n g e rh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tha n dt h ed i e l e c t r i cf l u i di nt h et u b ev e l o c i t yv c u r v ea n dp o s s e s s i o no fb u i l t - i nt r a p e z o i d a lw a v ew i t hpc u r v eo ft h eh e a te x c h a n g e r t u b es i d ef l u i dr e s i s t a n c e c o m p a r e dt ot h es m o o t ht u b eh e a te x c h a n g e r , h e a tt r a n s f e r e f f i c i e n c yo fb u i l t - i nt r a p e z o i d a lw a v ew i t hah e a te x c h a n g e ri si m p r o v e db ya b o u t 12 6 ，2 2 0 ( 5 ) i nt h i ss t u d y , t h r o u g he n h a n c e dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e v a l u a t i o nc r i t e r i a ( p e c ) t oi n s e r t so f t h et r a p e z o i d a lw a v ew i t hs p o i l e re l e m e n t so f h e a te x c h a n g et u b e s , h e a tt r a n s f e re v a l u a t i o n t r a p e z o i d a lw a v ew i t hs p o i l e re l e m e n t sc a l lm a k e t h et l l 锄a l p e r f o r m a n c eo f h e a te x c h a n g e rb es t r e n g t h e n e d k e y w o r d s ：h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，t r a p e z o i d a l w a v e b a n d ，t e s t i n g e q u i p m e n t , c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r i v 青岛科技大学研究生学位论文 1 绪论 1 1 强化传热的意义目的及途径 1 1 1 强化传热的意义 传热，即热量的交换和传递过程，在工业工程生产与自然生态关系中的一种 最普遍的最常见的一种热的传递过程【l 】。现代工业中，换热设备占较大比例。工 业领域( 能源动力、冶金、交通、建筑建材、机械以及食品、化工、轻工、纺织、 医药等) 和高新技术领域( 航空航天、核能、生物医学工程、微电子、材料、环 境工程、新能源等) 都能遇到一些传热的问题，也都不同程度上有应用传热研究 领域的最新理论基础和设计成果。如何提高换热设备的传热能力，以最低的资本 投入，获取最大的经济效益，在能源日益短缺的今天，己成为不容忽视的问题【2 l 。 在工业生产中的应用普遍的换热设备是换热器，如电厂热力发电系统中的除 氧器、蒸汽凝汽器、给水预热器、凉水塔以及汽轮机系统的冷油设备；工业中燃 煤锅炉设备的蒸汽过热器、空气预热器、省煤器；船用柴油机中滑油冷却器、增 压空气和淡水冷却器；冶金工业中的热风炉，轧钢和炼钢，生产工艺中( 空气和 煤气) 预热炉；制冷工业中的( 蒸汽压缩式或氨水吸收式) 制冷机中的冷凝器、 蒸发器；制糖工业和造纸工业的一些蒸发器，也都是应用换热器的例证。在化工 工业和石油工业的运行过程中，换热器的作用更大和应用更广【3 】。随着工农业技 术的日益更新和人们生活水平的不断提高，能源危机日益紧张，已成为世界各国 关注的重大问题之一。但是世界能源转化和利用效率一直处于比较低的水平，而 我国更是接近世界各工业国家的最低水平。在我国，目前能源多是由热能进行转 化和利用的比例更大，甚至达到9 0 ，仅在石油化工的设备中，换热器约要占7 0 甚至更爹训，换热设备的合理设计、改进和运转对于节省资本、金属、能源和空 间而言是至关重要的。 随着各种工业的迅速发展和空间技术的更新，越来越看重换热设备的体积和 重量。但无论大型换热设备或是小型换热设备，其共同的目的是提高换热性能， 采取更有效的增强传热措施1 3 j 。越来越突出的经济能源危机，对新能源的开发及 余热的回收都迫切寻求更好的新技术。在客观上，这些都更好地推进了强化传热 新技术的研究，其根本是探求在损耗同等能量的条件下，尽可能多地为某种的过 程传递所需的热且【5 i 。强化传热技术与新型高效换热器的研究和开发一直是人们 关注的话题。从能源，材料和省钱的角度来看，世界上高度重视和加强和换热器 的研究。发展强化传热技术不仅是在现代工业发展的过程中必须解决的课题，也 管内置入梯形波带内插件强化传热实验研究 是发展新能源和开展节能技术的一项迫切任务【6 1 。 1 1 2 强化传热的目的 强化传热技术是能显著改善传热性能的节能新技术r 7 1 ，其主要方式是采用强 化传热元件，改善换热器结构，来提高传热效率，使设备投资和运行资本最低， 从而以达到生产最优化的目的。强化传热的目的是用以最少的经济投入，例如体 积小、质量小、成本低的换热设备来传递所需要的热量，或者是用最有效的冷却 方法来确保高温部件的运行安全【8 】。各工业设备中对强化传热的具体要求不相 同，但是归纳起来，应用强化传热技术总的可以达到下列任一为目的： ( 1 ) 提高原来换热器的换热性能，( 如：插入元器件，除污垢) ； ( 2 ) 尽可能使换热器装置在低温差下工作，减少火用的损失； ( 3 ) 减小传热面积，以减小换热器装置的重量与体积； ( 4 ) 减少换热装置的换热和流动阻力，可以减少换热器的动力功消耗。 以上四种目的和要求是相互牵制，要想同时达到所有的目的是不太现实的。 所以，在应用哪种强化传热技术前，必须先要明确主要目的与任务以及达到主要 目的而所能提供的已有条件，进行选择和比较，然后才能确定一种适合的强化传 热新技术。有相关的资料显示，强化传热技术的应用可以带来以下好处 9 1 ： ( 1 ) 在换热装置的流速、尺寸、压降一定时，可以增强换热效果； ( 2 ) 在减少换热所需的尺寸、面积，在热负荷和压降一定时，可以减少换 热器的质量； ( 3 ) 减少传热冷、热流体温差； ( 4 ) 在换热装置的热负荷和尺寸一定时，可减少泵功率； ( 5 ) 综合上述的各项。 1 1 3 强化传热的途径 在工业中由于换热器的应用各不相同，换热器中结构形式多样，换热器流体 介质物性、种类以及流体介质流动时所在雷诺数r e 区域的不同，因此很难给定 出适用于各种情况下的一种强化传热新技术和得到的可以确定一切流体传热强 化技术的管程阻力和传热系数的通用关联式。 一般解决强化传热新技术的选用问题可采用下列方法。 ( 1 ) 综合考虑强化传热处流体工质的热负荷分布、流动结构特点以及流体 流动过程中温度场的分布，以定出有效、适合的强化传热技术，可以使传热系数 最大而流动阻力最小。 ( 2 ) 给定流体工质的总流动阻力、温度以及热负荷条件下，用比较简明方 法对因应用强化传热技术而使的换热装置的质量轻、尺寸小的角度进行简单的比 较分析。这种方法虽然不是很全面，但综合分析表明，按这种法进行的比较而得 青岛科技大学研究生学位论文 出最佳的强化传热技术在改变原有换热装置三个主要的性能参数( 换热器热负 荷、尺寸和总阻力) 中其余两个，然后再从第三个性能参数的最佳角度进行比较 也是最好的。 ( 3 ) 比较应用了强化传热新技术后的换热器安全运行工况、制造工艺以及 经济费用等问题。 最后就可以给出这种换热装置的设计工况最优化、最适合的强化传热新技 术。 换热器运行过程中，如各部分的压力、温度等参数不随时间变化，这个过程 称为稳定传热过程。相反，如压力、温度等参数随时间而变，则这一过程称为不 稳定传热。 由传热学研究可知，依据热量传递过程中不同的物理本质，热量传递分为三 种不同的传递方式：导热、辐射换热和对流换热。不同热量传递方式遵循不同的 换热规律。实际换热器的传热过程是一个非常复杂的复合式传热，往往是两个或 三个传热方式共同作用的结果。例如，锅炉中的换热器是通过对流和辐射换热使 烟道内的高温烟气热量传递给余热锅炉过热器管的外壁，然后依靠导热将热量传 给管子内壁的，后经过对流换热将热量传递给管内流动的蒸汽。如果热流体( 即 烟气) 的温度不高，辐射过程是传热的可以忽略的，则整个过程可以看作是导热 和对流换热两种换热方式共同起作用。 换热器在稳定传热过程中可以应用传热学书中的下列换热方程式表示【m 】： q 姚r ( 1 1 ) 式中： k传热系数， w ( m 2 k ) a 换热面积，m 2 ； 丁 冷流体与热流体的平均传热温差，k 。 式( 1 1 ) 表明，换热器的换热量q 除了与平均传热温差丁和换热面积么成正 比以外，还与表征传热强弱程度传热系数是有关的。当换热器中平均换热温差和 换热面积给定时，传热系数k 越高，则换热量q 越大。因此，要强化换热器的传 热过程，必须即要提高换热器在单位时间内、单位体积的换热量q ，可以通过以 下三种途径来实现，即：增加换热面积、增大平均传热温差和提高传热系数k 。 ( 1 ) 增加换热面积的强化传热技术 增加换热面积是研究最多的一种强化传热方法，也是一种很有效的强化传热 途径，特别是对于像空气这样的低普朗特数流体，强化换热效果特别好。采用扩 展换热表面和直径小的管子均可增大换热面积。管子直径越小，耐压越高，因而 在同等金属质量下总换热表面积越大。应用扩展换热表面积后，如：采用肋片管、 翅片管等，由于增加一些肋片、翅片，相当于也增大了换热的表面积。所以，在 3 管内置入梯形波带内插件强化传热实验研究 换热装置中加入各种肋片管、翅片管、螺纹管等同扩展了换热表面积，是提高了 单位体积内的换热表面积的有效措施。肋片、翅片应该加在换热器中传热相对较 差的一侧，则对强化传热效果将会更好。在高压、高温下工作的换热表面，一般 采用比较简单的扩展换热表面积的方法。如：在高压、高温下运行的省煤器、锅 炉过热器等，一般都会采用这种形状较为简单的销钉管、肋片管和翅片管等来扩 展换热表面积。因为这种管束的布置紧凑的程度低于板肋式和板式换热器的工况 下，所以仍然可用有够强度、耐高压、高温的厚壁管。 用扩展换热表面方法后，不仅仅增加换热的面积，若选择合适几何参数，同 时能够提高换热装置中的总传热系数。然而同时随之也会带来更大的流动阻力等 相关问题。因此，在开发和选用扩展换热表面积的强化传热技术时，应综合的考 虑其优缺点。 ( 2 ) 增大平均传热温差的强化传热技术 增大平均传热温差的方式有两种。 一种是在热流体和冷流体的进、出口温度一定时，通过改变不同换热面的布 置方式来改变平均传热的温差。假如换热面的布置使热、冷流体逆向流动，则这 种布置的平均传热温差最大；如果换热面的布置使热流、冷流体同向流动，则这 种布置的平均传热温差最小。所以，各种换热器的换热面都尽量采用逆流或近似 于逆流来布置。对于已经以冷、热流体逆流来布置的换热装置，就不再用改变换 热面的布置方式来增加平均传热温差。 另一种增大平均传热温差的方式是增大热流体和冷流体进、出口温度的差 别，这样虽然能够增大平均传热温差，但是因受到实际工作条件和受热材料的物 理性质的限制，在实际工程运行中，冷、热流体的种类及温度范围常常受生产要 求及经济性的限制，不能任意的改变。如：在化学工业生产中，物料的温度往往 是由生产工艺来确定的，不能随意更改。用来冷却或加热物料工质的温度可以依 据所选工质的不同而更改。但，冷却或加热工质的本身选择就不能随意变的，必 须根据技术、经济来比较确定。例如：在化学工业生产中最常用到的加热饱和水 蒸气，当压力为1 5 9 m p a 时，饱和水蒸气的温度为4 7 3 k 。以后，饱和蒸汽温度每 提高2 5 k ，压力要升高0 1 m p a 。压力的增高就会提高换热装置金属的消耗，使 的设备庞大而笨重。所以，根据技术、经济相比较，当温度高于4 7 3 k 时，饱和 水蒸气就不能作为加热工质了。此时，应该采用氯苯、矿物油以及联苯混合物来 作为加热的工质。另外，用来加热工质温度的选择往往还受到被加热物料的物理 性质所限制，也就不可能选得很高。所以，在化学工业生产中，依靠增大平均传 热温差来强化传热的效果是十分有限的。在核能工程反应堆的冷却系统和其他换 热工程设备中，经常是换热设备中的平均换热温差给设定好的，这样就不能再依 靠增大传热温差的方式来增加强化传热效果。 4 青岛科技大学研究生学位论文 综上所述，增大平均传热温差的强化传热技术只能在十分有限范围内应用。 另外，由于平均换热温差的增加会造成很大的用损失，所以往往是尽量减小平均 温差。 ( 3 ) 提高传热系数的强化传热技术 平均传热温差和提高换热面积往往会受到很多条件限制。所以，提高换热设 备的传热系数来增加换热量，也是目前研究强化传热技术的重点课题。在传热学 中表明，当换热器管壁厚万不大时，在传热稳定工况下，换热器的总传热系数k 可按下式近似给定【1 0 】： 一l ：一1 + 一b + 一1 ( 1 2 )。一一。一。一 t k魄旯 见 式中， 盔外壁与热流体之间的换热系数，w ( m 2 k ) ； 红内壁与冷流体之间的换热系数，w ( m 2 k ) ； 万壁的厚度，m ； 允材料的热导率，矽( 掰k ) 。 由于金属管材料的热导系数五很大，管壁厚度万又很小，所以式( 1 - 2 ) 中 的8 i 可以忽略不计，亦即可视为万兄= 0 。所以，要增大传热系数值，可从 提高管子两侧的换热系，尤其两侧中换热工况较差一侧的换热系数的提高入手， 将会取得更好的强化传热技术效果。提高管两侧换热系数h ，和h 2 的方式很多。原 则上采用一下方式：使得流体横向冲刷管束、增加流体流动时的混合与扰动、消 除流体流动时出现的旋涡死滞区、增大流体工质流速、改变换热表面状况、破坏 流体壁面边界层的发展等方式来提高换热系数尼。对单相流体的强化传热技术， 也可依据场协同原理，减小温度梯度矢量与速度矢量之间夹角的方式来强化传 热。 上述一些方法，无论流体发生相变或不发生相变的传热过程都有不同的强化 传热效果，采取的具体措施也不相同。无相变单相流体的传热阻力主要是在层流 底层或边界层内，强化传热过程应重点设法减薄层流底层的厚度和破坏边界层的 发展；对于有相变流体的强化传热过程的主要方式是增加换热面上的生成汽泡的 频率以及汽化核心。因此，应用强化传热技术时，必须根据换热设备的具体实际 情况来选择合适的强化传热技术的措施。 由以上的分析可知，增大平均传热温差以强化传热技术的途径，其应用范围 十分有限。而用增加换热表面积以强化传热的途径虽然是有效的，但同样受到很 多的外在条件限制。另外，增加换热表面积的同时也往往改变了换热表面的传热 系数，所以实际上这一途径与用提高传热系数以达到强化传热效果的途径是密切 5 管内置入梯形波带内插件强化传热实验研究 相关的。 因此，各种强化传热技术最重要方式的是提高传热系数来强化传热效果。管 内置梯形波带的作用是提高换热器的对流传热系数的。 1 1 4 强化传热技术的分类 关于强化传热技术的研究，可从热量传递3 种方式( 导热、辐射、对流) 着手， 但研究应用最广、最多的是对流传热强化技术的研究。在2 0 0 6 - 2 0 1 0 年，在学科 的发展战略研报告中指出：针对我国传热技术研究国情和现状，对流强化传热技 术研究是国内优先资助的科技技术研究的项目【4 】。 对流强化传热技术可以从不同的角度进行分类【1 1 1 ，按其是否需要外在的动力 源来划分，可以分为两种：无源强化技术( 又称被动强化) 和有源强化技术( 又称主 动强化) 。有源强化技术必须依赖外加的机械力或电磁力的帮助；而无源强化技 术除去传送换热流体工质的功率消耗以外，不再需要增加外部的任何动力，无需 任何的外部功耗，对许多经济都十分有效，而且可应用在改造已有的换热设备中， 目前在生产工程上尤其是化工换热设备中已得到广泛的应用像1 3 1 4 。5 1 ，而有源 强化技术必须得到额外的电磁力或机械力的功耗，操作的价值非常的昂贵而且很 复杂，现在在工业工程生产过程中很少应用。对流强化技术的分类如表1 1 。 表1 - 1 对流强化技术【1 1 】 t a b l e l 1e n h a n c e m e n tt e c h n i q u e 主强化技术( 需要外功)被动强化技术( 不需要外 功) 传热表面振动 机械辅助 , g g 振动 喷注或抽吸 电场或磁场 扫糙表面 液体添加剂 位移强化装置 涡旋流装置 传热表面延伸( 扩展) 气体添加剂 表面张力 传热便面处理 在被动强化技术( 无源强化技术) 中，其中管内安装扰流元件的强化传热技 术有非常显著的特点：改变流体的流动轨迹及流场；一般扰流元件的制作工作简 单，特别适用于原有设备的改进：不需彻底的更换已有换热器，因此在工程中得 到了普遍的应用【1 6 】。 2 内插件强化传热的概述 管内插入扰流元件装置相对的成本低，取出清洁容易，工艺简单，并且可以 有效地防止污垢的生成，对旧设备的挖潜革新十分有利，所以得到了在工程上的 青岛科技大学研究生学位论文 广泛使用。 用插入扰流元件强化管内的单相流体的传热，尤其对强化高黏度流体或低雷 诺数流体、气体的传热更为有效。虽然各种插入元件的强化传热机理不同，但都 主要是以改变流体的流道进而改变流体的流动特性从而达到了强化传热的目的。 对于一些比较典型的管内插元件，其中线圈内插件则能够造成管内的非整体粗糙 度；扭带内插件沿管长形成螺旋流；网眼形的内插件是可以扰动管内整个温度场 和速度场；扩张表面的内插件在内插件与管壁问形成良好的热面接触，这种内插 件起到了扩大了传热面并减小了水力直径的作用，而前两种扰流元件的应用最 广。 目前，多孔介质的传热和流动涉及到许多工程的应用，已经成为当前工程热 物理传热学学科中最为活跃积极的前沿性研究领域之一【1 7 1 。多孔介质，即：多 孔固体为骨架所构成空隙的空间内充满着单相或多相物质，在现实生活中很多的 材料均属于多孔介质【l3 1 。换热器的管内插入扰流元件的强化传热技术可看作是 管内多孔介质的强化传热，当换热装置的换热管内流体的流动经过这些内置的扰 流元件后，显而易见，在流道内将会产生弥散流动效应，而在低雷诺数( r e = 3 0 0 ) ， 正是因为弥散流动效应的促进，使换热器装置的热管内流体的流动状态由层流引 发为湍流。因为换热器中在管内紊流状态的流动的液体传热热阻十分小，因此， 换热装置的传热系数j 瞄将会增加很多。且在高的j 瞄传热系数状态下，在换热 器中内插件的强化传热效果就将会非常的明显。 由于现实中的多孔介质常常具有各项异性和非均匀性的特性，所以多孔介质 中热和质的传递机理和现象十分的复杂性，使得人们在研究一些具体的问题过程 中，不仅要需要深入的进行理论研究，而则更需要通过实验的方式来揭示这种传 递的规律性并且应用于工程实践的指导。 1 3 内插件强化传热在国内外的研究现状 目前，在第二代传热技术发展的基础上，第三代强化传热技术的发展和开发。 在1 8 9 6 年，国外就开始了研究管内插入物的强化传热新技术【1 9 1 。 r o y d s 在1 9 2 1 年认识到管内推进湍流强化传热技术的作用。管内的流线形、 圆盘形或圆环形薄片，扭带螺旋片以及螺旋线等内插物扰流元件已经比较早的开 发。 1 3 1 各种内插扰流元件强化传热研究现状 ( 1 ) 扭带内插件，如图1 1 管内置入梯形波带内插件强化传热实验研究 图1 - 1 纽带内插件 f i g 1 - l t i ep l u g - i n 扭带是一种简单而有效的管内旋流装置，由金属薄片扭转而成。扭带能使管 内流体产生强烈旋流，并引起二次流促进径向混合，从而增强传热其在工业领 域的应用大概已经有五十多年了。 苟峰通过实验对入口雷诺数r e 在2 4 0 0 - 4 5 0 0 0 之间的以空气为工质流体流动 流阻和传热特性进行了研究，得出了不同温度、压力、扭曲比下的数据并且提出 在本实验范围内的流阻特性和传热特性的计算关联式【2 1 1 。 周强泰，张华刚对以空气为流动工质，进行了在雷诺数心为8 0 0 0 1 0 5 之间 管内插入三种不同参数的扭带扰流元件的强化传热效果的实验研究，得到了在实 验范围内，摩擦系数艚加了7 0 一4 0 0 ，管内换热系数h 增加了5 6 一9 5 ，得出 扭曲比y 是影响强化传热效果的重要因素之一。 a l i 和b l a t t 对r 1 1 ，m u r f i f t l n a o y u d d i n 对水空气的混合物进行了包括各种不 同流态的扭带扰流元件的强化传热实验研究，得到了传热系数h 增力h 9 0 左右。 目前，用特殊材料研制、成型的自转螺旋塑料纽带，解决了用金属材料制作、 成型螺旋纽带对换热管的内壁造成的磨损问题，应用市场也十分广阔。 ( 2 ) 螺旋线圈内插件，如图1 2 图l 一2 螺旋线圈内插件 f i g 1 - 2s p i m lc o i lp l u g - i n 传热管内插入螺旋扰流元件的强化传热机理是，螺旋内插件使得流体流动引 发涡流的强化传热技术。螺旋扰流元件不仅仅有强化传热的效果，还具有抗垢能 力。螺旋线也可以间歇地破坏流体边界层的发展，使边界层变薄，从而起到强化 传热的作用。 a g r a w o l 等研究人员研究了在管内插入螺旋线圈扰流元件冷凝的强化换热情 况，得到了n u 关联准则式，并且得出了管内插入螺旋线圈扰流元件的传热系数 比管内插入扭带扰流元件的传热系数要高吲。 在1 9 9 3 年，李方钱，张永福对螺旋线圈内插件对电厂燃煤锅炉的空气预热器 管里的气体进行了强化传热的实验研究，在实验数据结果范围内，使阻力系数厂 青岛科技大学研究生学位论文 增加1 8 5 7 2 0 ，传热系数矗增加了1 5 0 2 7 0 z 3 】。 在1 9 8 3 ，华南理工大学年对管内扰流元件进行了强化传热的实验研究，得到 了螺距为6 4 m m 、线径为2 m m 的螺旋线圈内插件对油的强化传热效果比较好这一 结论1 2 钔。 ( 3 ) 绕花丝内插件，如图1 3 图1 3 绕花丝内插件 f i g 1 3 a r o u n dt h ef i l a m e n ti n s i d et h ep l u g - i n 丝状绕花扰流元件是由金属丝线用特殊的专门工艺按最佳的特定尺寸制成 一种绕花状的元件，紧贴着管的内壁插入到管中，在低流速下可以使换热管内流 体工质产生径向流和螺旋流相互叠加的三维流动，在r e 9 5 。 早在1 9 9 0 年，邢守祥对绕花丝扰流元件内插物强化管内流动工质空气强化换 热进行实验研究，根据实验得到：绕花丝元器件同时具有螺旋流、径向混合、粗 糙表面和扩展表面的作用，使临界雷诺数胎大大降低，提前诱发湍流。绕花丝扰 流元件存在最佳结构参数，圈径0 9 m m 、螺距8 m m 的绕花丝，而此结构参数使强 化传热效果最好，而阻力增加较小【2 5 l 。 罗棣庵、陈庚通过对板式换热装置内设有波纹槽道的换热、流动进行实验研 究。对实验结果进行分析，得到了板式换热器内流体流动阻不高的原因，即：在 波纹槽道内，流体的流动类似于多孔体内通道中的弥散效应，因此研究、制成了 绕花丝扰流元件，并且首次使强化换热系数的增加率 = 流体流动阻力增大率1 2 6 。 并有相关的资料表明，当孔隙率s = 9 5 ，其换热性能达到最好。 ( 4 ) 金属丝内插件【2 1 ，如图1 4 图l - 4 金属丝内插件 f i g 1 4 w i r ew i t h i nt h ep l u g i n 换热管内插入按特定的规律、组织的金属丝网络结构，形成较大孔隙率的多 孑l 体的扰流元件，使管道形成多孑l 体通道。而对多孑l 介质内部流体的流动存在弥 管内置入梯形波带内插件强化传热实验研究 散效应，类似于湍流中的涡流，在较低雷诺数下，它能使流体产生径向相互混合， 使得径向温度分布更均匀，从而加强换热，而更重要的是流阻增加不高。 ( 5 ) 螺旋弹簧内插件 华南理工大学化工所在1 9 9 7 年通过对螺旋弹簧扰流元件的强化传热和防垢 机理进行分析，得出弹簧强化传热和在线防垢过程中，有个最低流速极限，低于 此最低极限流速，则不利于强化传热和防垢【2 7 1 。 ( 6 ) 静态混合器 静态混合器实际上是一种传质设备，适合于液液相的混合。在2 0 世纪7 0 年 代后，它开始被用在管内强化传热。这种类型的混合器有不同形式，如：k o c h 静态混合器，k e n i c s 静态混合器等【2 8 2 9 1 。 ( 7 ) 其他内插件 刘春江等研究出一种立交盘管内插入扰流元件，并对其传热性能和压降进行 了实验研究和数值模拟，在同等压降的条件下传递热量增加的倍数要好于s m x 静态混合器传递的热量，具有良好的使用前景【3 0 】。 最近，又研究出了弹性圆珠的扰流元件【3 1 1 。当流体绕流过弹性圆珠时，管内 流体容易在弹性圆珠后面形成卡门涡街，这样就增加了壁面与流体之间的剪切 力。同时，弹性圆珠会不断地震荡管壁，导致污垢层的脱落，污垢的传热热阻将 大大地降低，从而提高了传热效率，甚至会出现负热阻。 1 3 2 扰流元件强化传热研究发展趋势 目前，各种内插件的强化传热研究的趋势是： ( 1 ) 在扰流强化传热技术方面，已经研究出多种多样形式的内插件，如拉 希格图、环式、盘式、螺旋线圈、球式、螺旋弹簧、静态混合器、螺旋片、径向 混合器、刷式、网式、扭带、错开扭带、钻孔扭带、花丝、间隔扭带、交叉锯齿 带等等多种内插件【3 2 。7 1 。 ( 2 ) 数值模拟的发展，对换热器中传热过程和流体流动进行了数值模拟， 研究它的湍流和层流，可以减少试验成本和试验周期，优化管内插入扰流元件的 结构布置、物理参数和组织形式。 1 4 本文的研究内容 ( 1 ) 将对流换热的理论基础应用于内置梯形波带换热器管程强化传热与流 体阻力特性研究，表明通过增设管内置梯形波带使换热管内流体团块移动到壁面 后，沿梯形波带斜片回到中部流动，以提高其传热的系数，增强换热特性。 ( 2 ) 通过理论分析了梯形波带强化传热机理，对管内置梯形波带换热器的换 热元件进行了设计。制造完成了不同的结构形式和组合形式的内置梯形波带扰流 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 元件。 ( 3 ) 根据管内置梯形波带强化传热的实验要求和实验目的，本文设计了强化 传热的换热实验装置，并对换热装置进行理论分析和计算，验证了实验装置的切 实可靠，并分别用了两种不同黏度的流体进行换热元件的实验研究。 ( 4 ) 利用换热装置平台，对管内置梯形波带换热元件进行试验研究，得到管 内置梯形波带换热器传热系数h 与管内介质流体的流速v 关系曲线及管内置梯形 波带换热器的管程流体阻力p 曲线。管内置梯形波带换热器与光滑管的换热器相 比，换热效率提高了约1 2 6 2 2 0 。 ( 5 ) 本实验通过强化传热性能的评价准贝j j ( p e c ) 对插入梯形波带扰流元件后 的换热管进行传热的综合评价，得出梯形波带扰流元件可以使换热器的换热性能 得到加强。 1 5 本章小结 本章深入了解了新强化传热技术的发展与应用，进行了大量的文献查阅，了 解了内置插件强化传热技术的研究现状，最后确定了本文各章节的主要研究内 容。 管内置入梯形波带内插件强化传热实验研究 2 管内插入梯形波带强化传热的理论基础 2 1 流体流动边界层理论 2 1 1 边界层简介 图2 - 1 流体沿壁面流动形成的边界层 f i g 2 1f l u i db o u n d a r yl a y e rf o r m e da l o n gt h ew a l lf l o w 当在大雷诺数条件下，流体运动时流体的粘度和导热系数看做集中作用在液 体表面的一层薄薄的底层，即：边界层。在边界层特性基础上，简化n a v i c r s t o k e s 方程，并且加以求解，就可以得到流动阻力和传热规律。这个理论是在1 9 0 4 年由 德国物理学家l 普朗特提出，它创造了不可压缩粘性流体的动力学条件。 当大雷诺数流体做绕流流动时，在远离固体墙壁处，粘性力是远小于的惯性 力的，故可以忽略不计；在一个固体壁面附近的一层薄的底层内，则不能忽略粘 滞力，沿垂直壁面方向有相当大的速度梯度，这薄薄的底层被称为边界层。越大 的流体雷诺数，边界层就越薄。从边界层内部流动过渡到边界层外部流动是一个 渐变的过程，所以边界层厚度6 通常定义为：从物体壁面到等于流体外部流速的 9 9 的垂直距离，距离物体前段越远，边界层就越大。当被加热( 或冷却) 的物 体或高速气流做绕流流动时，在靠近物体表面处有一个薄层，在薄层内温度梯度 很大，这薄的一层被称为热边界层。 ( 1 ) 温度边界层 当流体流过与其温度不同的壁面时，除了会形成一个流动边界层之外，还因 受热或冷却使靠近壁面的流体温度发生变化，即产生温度边界层。温度的变化与 速度相似( 但必须以过余温度，而不是来流温度作为衡量的基准) ，过余温度9 9 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 的变化发生在薄薄的热边界层内；壁面上具有最大的过余温度梯度( 该值即代表 n u 数) ；在壁面的法线方向上将流场分为热边界层区和等温的主流区，流体与壁 面之间的热量传递仅发生在热边界层区里。 ( 2 ) 速度边界层 由于流体具有黏性，当流体流过固体壁面时，紧邻固体壁面流体的流速发生 剧烈变化，在靠近壁面处流速逐渐减小，形成流动边界层，边界层中存在速度梯 度，而在贴壁处存在一个非常薄的流层，称为层流底层，其流动处于层流状态。 速度边界层的主要特点是：壁面上具有速度梯度的最大值；在壁面法线方向上， 可以把流场划分成边界层区和主流区，主流可视为等速、无粘性的理想流体；壁 面法线方向上不存在压力梯度；在沿壁面方向上流体依次为层流、过渡流和湍流 状态。 2 1 2 边界层理论 综合分析边界层理论的基本概念，可以得出以下的观点： ( 1 ) 边界层流态分为湍流与层流，而湍流边界层内，紧贴壁面处仍是层流， 所以被称为层流底层； ( 2 ) 边界层厚度艿、挽与壁的尺寸，大小相比是最小的： ( 3 ) 在边界层内温度梯度和速度梯度最大： ( 4 ) 流场可以分为两个区：主流区和边界层区，即：粘滞力起主要作用。温 度场也可以划为两个区：主流区( 恒温区域) 与边界层区( 有温度梯度) ； ( 5 ) 在对流换热中主要的换热阻力主要集中在边界层内；层流边界层的传热阻 力主要在整个边界层内的导热热阻；湍流边界层的传热阻力主要是层流底层的传 热热阻。 2 1 3 边界层理论与对流换热 基于对流换热热阻热阻热边界层，整个边界层湍流边界层的热阻导热热阻层 流边界层的导热地区主要集中在热阻层流底部的导热热阻。更大的热传导，将使 边界层热传导热阻，对流换热强度越大粘度越大，边界层( 层流边界层湍流边界 层的层流底层) 较厚，边界导热热阻层，更大的对流换热的强度越小。底层的层 流流动层流状态，因此在流动方向垂直的传热导热系数( 忽略自然对流的影响) 。 通常情况下，流体的导热系数低，层流热阻底部。两个过程耦合的层流换热和流 体的主要对流换热流体对流换热的底部，总的对流换热热阻，主要集中在底部的 层流，为了加强对流换热，应设法边界层变薄，从而降低热阻层流的底部。 对于本课题研究的在套管换热器中插入一定参数的梯形波带，在壁面处的布 置，可以看作增加贴壁处流体的紊流程度，减小层流底层的厚度减小热阻。 管内置入梯形波带内插件强化传热实验研究 2 2 场协同理论 3 3 】 2