（化工过程机械专业论文）波节管换热器传热与流阻性能研究.pdf

摘要 摘要 4 波节管是强化传热的关键元件，流体在波节管内的流动与传热可以 分为两部分来分析，即第一部分在光管段内，其流体呈等直径流束形式； 第二部分在弧形管段内，流体在弧形管段的进口处产生喷射效应，在出 口处产生节流效应，这两种效应的综合作用的结果，使管内产生无数细 小的漩涡和横向流，对流体层流边界层和污垢层的形成产生很强的破坏 作用，使弧形管段内的传热系数极大地提高。尽管前人对波节管换热器 的研究较多，但缺乏工程实用的计算方法，研究波节管换热器的传热与 流阻性能对于其工程应用具有重要意义。 本文对三种不同几何尺寸波节管和光管的传热和阻力特性进行了试 验，研究了波节管波距和波深变化对换热器传热能力的影响。用数值方 法分析了波节管模型，研究了在进入周期性充分发展阶段以后，波节管 内流体速度和温度分布规律。根据试验数据，确定了较好的波距与波深 方案，拟合出了波节管内传热准则关系式和阻力准则关系式。 本文试验结果表明：传热与流阻综合性能较好的为l 。波节管，此时 波距为2 1 栅、波长为1 3 m m 、波深为2 5 埘所。与光管相比，在管程雷诺 数r e 为8 7 0 0 0 6 0 0 0 0 0 时，管程努塞尔数。提高了1 5 7 4 0 9 倍，总 传热系数k 提高了2 7 6 4 7 6 倍，热流密度q 提高了2 5 0 3 9 3 倍，对 数平均温差瓯提高了1 0 4 1 1 4 倍，管程阻力系数考提高了i 1 5 1 3 2 倍，综合性能指标胁，毒啷提高了2 5 1 3 2 2 倍。本文研究结果对于波 节管换热器工程应用有一定参考价值。 关键词：换热器；波节管；传热；流阻 a b s w a e t a b s t r a c t t h ec o r r u g a t e dt u b ei st h ek e yo r g a r lo f h e a te n h a n c e m e n t t h ef l o wa n d h e a tt r a n s f e ro fl i q u i di nt u b en l a d eu po ft w op a r t s ：t h ef i r s tp a r ti st h e s t r a i g h ts e g m e n ta n dt h el i q u i di sf l o w i n gb ye q u i v a l e n td i a m e t e r t h es e c o n d p a r ti st h ea r cs e g m e n t t h ej e te f f e c ta n di nt h ee n t r yo fa r ca n dt h et h r o t t l e e f f e c ti nt h ee x i tc o n t r i b u t et oc o u n t l e s se x i g u o u ss w i r la n dn a n s 、，e 撇f l o w , w h i c he x t r e m e l yd e s t r o y sl i q u i d sl a m i n a rf l o wb o u n d a r yl a y e ra n dd i r tl a y e r a n dm a k et h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti na r cs e g m e n th i g h l yi m p r o v e a l t h o u g hp r e d e c e s s o r sh a v em a d e m u c hr e s e a r c ha b o u tc o r r u g a t e dt u b eh e a t e x c h a n g e r s ，p r a c t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o di so fs h o r t a g e t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c ha b o u tt h ep e r f o r m a n c eo fh e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c ei s e x t r e m e l yi m p o r t a n tf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 。 t h r e es p e c i f i c a t i o n so fc o r r u g a t e dr o b e sa n ds l i p p e r yt u b e sh e a tt r a n s f e r a n dr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i ch a sb e e ne x p e r i m e n t e da n dt h ei n f l u e n c et oh e a t t r a n s f e ra b i l i t yd u et ot h ev a r i a t i o no fw a v e - p i t c ha n dw a v e - d e p t ho ft h e c o r r u g a t e dt u b e sh a sb e e nr e s e a r c h e d t h em o d eo ft h ec o r r u g a t e dt u b eh a s b e e na n a l y z e da n dt h er e g u l a r i t i e so fd i s t r i b u t i o no fv e l o c i t yf i e l da n d t e m p e r a t u r ef i e l do ft u b es i d ea r ea n a l y z e db yn u m e r i ca p p r o a c ha f t e rt h e p e r i o d i c a l l ya d e q u a t ed e v e l o p m e n ts t a g e b a s e do i lt h ee x p e r i m e n t a ld a m ，t h e b e ：q , t e rs i z eo fc o r r u g a t e dt u b eh a sb e e nd e t e r m i n e da n dt h er u l ef o r m u l ao f h e a tt r a n s f e ra n dr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to f t u b es i d eh a sb e e nf i t t e d b a s e do na n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o nc a n b eg o t t e n ，t h a ti s ，t h eh e a tt r a n s f e ra n dr e s i s t a n c ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e o f c o r r u g a t e dt u b e1 8i sb e r e r t h ep i t c ho f w a v ei s2 1 m m ，t h el e n g t ho f w a v e i s13 m ma n dt h ed e p t ho fw a v ei s2 5 m m c o m p a r e dw i t hs l i p p e r yt u b ew h e n r e y n o l d sn u m b e ro ft u b es i d er e ，i sf r o m8 7 0 0 0t o6 0 0 0 0 0 ，t h en u s s e l t n u m b e rn u tr a i s e $ 1 5 7 4 0 9t i m e s ，c o c m c i e n to fh e a tt r a n s f e rkr a i s e s 武汉工程大学硕士学位论文 2 7 6 4 7 6t i m e s ，h e a tf l u x gr a i s e s2 5 0 3 9 3t i m e s ，l o gm e a n t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e 虬r a i s e s1 0 4 - 1 14t i m e s ，f l o wr e s i s t a n tc o e f f i c i e n t 考r a i s e s1 1 5 1 3 2t i m e s ，c o m b i n a t i o np r o p e r t y 珥舌o 。r a i s e s2 5 1 3 2 2t i m e s t h er e s u l t si nt h i s p a p e ra r ei m p o r t a n tf o rt h ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o no f t h ec o r r u g a t e dt u b e h e a te x c h a n g e r s k e y w o r d s ：h e a te x c h a n g e r ；c o r r u g a t e dt u b e ；h e a tt r a n s f e r ；f l o wr e s i s t a n c e f 前言 刖吾 武汉工程大学机械工程学院于2 0 0 5 年申请了湖北省教育厅科研项 目一一波节管换热器工程化应用研究( d 2 0 0 5 1 5 0 0 6 ) 。研究内容包括：波 节管换热器的传热性能及阻力降研究；编制可供工程应用的波节管换热 器工艺计算软件包；波节管爆破性及稳定性研究；波节管管板应力研究 并编制可供工程应用的管板设计软件。本课题针对波节管换热器传热与 流阻性能做了一些理论和试验研究，为波节管换热器工程应用提供依据 和方法。 i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：卸奸钞 、 卿年占月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定， 即；我院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密o 。 ( 请在以上方框内打t ，) 学位论文作者签名：击矿柙龟 呻年月s 曰 指导教师签名：孝l 。戮 刁严。月i e t 第1 章概述 第1 章概述 1 1 强化换热研究的现状及进展 强化换热的研究由来已久，早在1 8 世纪初，n e w t o n 就提出了让风吹过 物体表面强化对流换热，但强化换热真正引起世人的重视是在本世纪7 0 年代石油危机出现之后【l 】。随着科学技术的进步，对于高效率换热设备的 要求越来越迫切，强化换热过程就更加重要。传热强化方法分成无源强 化和有源强化两类【2 1 1 3 1 。无源强化指的是强化不需要外加动力消耗( 不包括 由于阻力加大引起的泵功率增加和制造工艺中的能量消耗) ；有源强化则 需要消耗一定的外加机械力或电磁力。目前几种常用的传热强化方法及 其实现方式1 4 l s l 如下表1 1 所示： 上述强化换热技术，有的只适用于特定的某些传热介质和传热过程， 有的则对所有换热情况都有不同程度的强化作用。 另外，还有许多两种或两种以上的强化措施同时采用，从而获得更大 的传热强化效果的应用技术，这些都称为复合强化技术。 1 1 1 单相流体对流换热强化的研究进展 单相流体对流换热的热阻集中在层流底层，因而通过各种措施来减薄 层流底层的厚度、增加边界层的扰动是强化换热的重要途径。长期以来， 不同学者对单相流体强化换热进行了广泛的研究1 6 1 ，它们大体上可归纳 为：壁面扰动、扩展表面、插入物、添加物和有源强化方法。 a 壁面扰动 由于对流换热的热阻集中在层流底层，所以增加壁面附近流体的扰动 能增强对流换热。壁面扰动法就是根据这一机理而设计的。壁面扰动法 的种类很多，例如各种各样的粗糙表面、轧槽管、螺旋肋、重复肋和沟 槽等。其中螺旋槽管是一种有代表性的高效换热元件，能起双边强化换 武汉工程大学硕士学位论文 表i i 利用烧结的金属丝网、机械加工或电化学腐蚀等，将传 处理表面 热表面处理成多孔性表面或锯齿型表面 粗糙表面利用人工粗糙表面增强传热 扩展表面包括管内和管外的扩展表面 扰流元件 设置与传热介质流动方向垂直的多捧圆形或椭圆形的 无 扰流柱 源 在管内插入金属网、扭曲带、静态混合器、环、盘等元 内插物 强 件，使流道内产生径向涡流流动 化 将换热管与轴线成一定角度弯曲成形，流体在流道中可 螺旋管 产生与主流方向垂直的二次流动 单相液流中添加固体颗粒或气泡，沸腾系统中的微量液 添加物 体添加物，气体中添加液滴或固体颗粒 流体通过圆形或狭缝形喷嘴直接喷射到固体表面进行 射流冲击 冷却或加热的方法 机械扰动利用各种型式的搅拌器 表面振动使用电力振动器或电机带动偏心轮装置 有 流体振动用流动间断器或电压转换器来实现 源 电场中电荷运动与流体速度场耦合而显著地改变流体 电磁场 强 的运动规律，并加强流体混合 化 通过多孔的换热表面向流动液体中喷注气体，或在换热 喷射或吸出 段的上游喷注类似的液体：在泡态沸腾或膜态沸腾中通 过多孔的加热表面除去蒸汽，或在单相流中通过多孔的 加热表面排出液体 热的作用，尤以强化单相流体湍流换热而著称。从问世之日起便引起人 们的重视，己广泛用于各种换热器中忉。当流体在螺旋管内流动时，由于 第l 章概述 受到离心力的作用，流体从管子中心部分由螺旋管内侧流向外侧壁面， 因而造成了螺旋管内侧的低压区。在压差作用下，流体从外测沿着圆管 的上部和下部壁面流向内侧。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。螺旋管内径向二次流的产生使流体与壁面间的传热过 程得到强化。 b 扩展表面 扩展表面又称肋化表面或翅化表面，是一种比较成熟而实用的方法。 它不仅可以扩大换热面积，而且还可以通过减薄表面上热边界层厚度或 增强边界层内的流体扰动来减小对流换热热阻。因此，采用扩展表面可 以达到双重强化换热的目的。扩展表面包括历史悠久的外翅片和二十世 纪九十年代以来得到迅速发展的内翅片。扩展表面的翅片高度一般比粗 糙肋大得多。对外翅片而言，主要目的是增加换热面积，但对于内翅管 中的传热，则是既可以增加传热面积( 比外翅管增加幅度要低得多) ，又 可提高换热系数。扩展表面不论对湍流换热还是层流换热都有可观的增 强换热作用。翅片的形状、角度、几何尺寸和材料性质对扩展表面的传 热特性都有明显的影响。 ( 1 ) 管外扩展表面在换热器及许多换热设备中，传热壁面两侧流体 的对流换热系数的大小往往很不均衡。当管外介质换热系数较小而管内 介质换热系数较大时，例如，当管外是气体的受迫对流，管内是水的受 迫对流或饱和水蒸汽的凝结时，管外的换热系数就较管内的小得多。因 此，管外的对流换热热阻就成为传热过程的主要阻力( 亦称为控制热阻) 。 在这种情况下，管外采用扩展表面即翅化表面可以有效地提高换热效果。 翅化表面不仅能起到增加参与对流换热的总有效面积、减小该侧换热热 阻的作用，而且可使翅侧的壁面温度更加接近于同侧流体的温度。管外 翅片有多种形式，根据应用场合和设计要求，人们设计了许多种不同的 翅片。在管外壁沿长度方向的翅片称为纵向翅片，在管外的同心圆形翅 片称为环形翅片，在管外壁且与其轴线相垂直的连续薄板称为板式翅片， 还有可提高翅化表面传热性能的各种强化翅片，如穿孔翅片以及锯齿翅 武汉工程大学硕士学位论文 片等等。穿孔翅片是在翅片上加工了一些长圆孔或者圆孔的翅片。翅片 上的这些小孔按照一定的方式排列，或者是叉排，或者是顺排。翅片表 面上的小孔不仅具有扰动气流、阻止边界层发展的作用，而且还具有使 流经它的气流产生涡旋的作用。翅片上的小孔促使流动状态由层流提前 过渡到湍流，使翅片表面的传热得到增强。穿孔翅片的突出优点是可提 供较高的对流换热系数而由于穿孔造成的流动阻力却增加不大i 川。利用 这种传热面可以减小换热器的体积，提高换热器的性能。目前，穿孔翅 片在空气冷却器等换热设备中已经得到实际应用。锯齿翅片是钎焊在两 平行平板之间的平行于气流、且沿流动方向连续交替地交错排列的薄片 式翅片簇。由锯齿翅片构成的子通道横截亟的形状可以是矩形的，也可 以是三角形的；锯齿翅片的表面可以是穿孔的，也可以是不穿孔的。人 们对锯齿翅片的研究已经有5 0 年的历史，对锯齿翅片传热规律以及传热 强化作用的认识也在不断地深入和发展。锯齿翅片一般被用于设计制造 成板翅式换热器的扩展传热面。这种板翅式紧凑换热器的突出优点是体 积小、重量轻。目前，它已被广泛应用在航天、车辆、燃气轮机、化工 以及空气分离等工程中。 ( 2 ) 管内扩展表面在国外许多紧凑式换热器中，内翅管作为商品化 的强化传热管已经应用多年。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i 土f ：f , 比外翅管要低得多。大量研究j 表明， 管内翅片的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。肋片的数目和肋片的高度越大， 则流体与固体表面的摩擦损失以及泵功率消耗也越大，因此应在相同泵 功率的条件下来比较内肋管的换热性能。流体在管内的流动状态为湍流 时，肋片的存在将会使流体的湍流强度减弱，因而会引起换热系数的下 降，但在层流式不会产生这种情况。因此，在湍流状况下采用的肋片高 度较层流时的低。 从强化换热的效果来看，内翅管的性能强于粗糙管，但比螺旋管稍差； 从流体阻力来说，内翅管的阻力比粗糙管的大。如果 质是空气，螺旋 第1 章概述 内翅管的性能明显优于粗糙管。由于粗糙管的换热是随着流体p ，数的增 大而提高，对乙二醇溶液及其它石油产品，使用粗糙管有较好的效果。 c 插入物 层流换热在许多换热设备中经常出现。由于层流状态下的换热系数很 低，因此对某些工艺过程的进行和设备换热效率的提高是不利的。大容 器中用搅拌器使流体温度均匀和增强釜内对流换热的方法，也曾移植到 管内进行研究并取得一定成果，但在工业上应用很困难，因为管子的长 度与直径的比值l d 比搅拌釜要大得多，使得在管内采用搅拌器的结构和 传送装置将大为复杂。因此，只有少量设备采用机械帮助搅动，大多数 都是应用静止的流体混和装置，也就是利用各种管内插入物使流体产生 径向流动，从而加强流体混和、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。由于流体的二次流动和摩擦面 积的增加，将使流体经过含插入物的管子时的压力损失和泵功率大大增 加。但是，它不再需要机械驱动搅拌装置，因此节省的机械功率就能补 偿泵功率的增加。插入物可以是金属丝、扭曲带、静态混合元件、环、 螺旋片、螺旋线圈、盘或球等。由于这些装置不需要外界动力，没有机 械转动部分，结构简单，工作可靠，因此得到了广泛应用。国际市场上 己经出现了三种静态混合器：r e n i c s 静态混合器、k e n i c s 和s l u 窟e 静态混 合器【j 2 】。它们的基本原理都是利用金属片或者金属丝等插入物对整个流 体进行混和，而不是像在湍流运动状态下只对边界层进行扰动，也不是 像内翅管那样在增大换热系数的同时还可显著地增加传热面积。这种装 置很少用于湍流换热的强化，主要用于管内层流换热的强化和不均匀热 点处的换热。试验表明，对于熔融的高分子聚合物等高粘性流体，应用 各类管内插入物具有很好的强化传热性能，但对于空气等低尸，介质效果 却差得多。 d 添加物 在对流换热过程中，添加物具有很大的影响。添加物或是在工艺过程 中自然形成的，或是为了满足生产上的某种需要而故意加入的。例如， 武汉工程大学硕士学位论文 为减小流动阻力而添进的减阻剂，以及为增强传热能力而放入的石墨粉 等。由于传热流体各异，所要求的添加剂种类也很多。最常遇到的是含 有不同数量固体微粒的气体。气体载热剂具有耐高温和无腐蚀性的优点， 但是由于气体的对流换热系数较低，为了输送一定热量，常常需要比液 体大得多的换热面积，因此需要体积很大的换热设备。因而气体载热剂 的运行费用和传热设备的投资都比较高，为此人们探索在气体中掺加适 量固体微粒，以提高它的换热能力。固体微粒的体积热容量比气体大得 多，在气流中掺入大量固体微粒后，由于微粒具有与气流相近的温度而 使整个体系的热容量大幅度地增加。因此可在不大的体积流量下实现高 的热功率传输。此外，固体微粒的存在对于气体与壁面间的传热有一定 的影响。在高温管道气流中掺有固体微粒时，因微粒吸收壁面辐射而使 系统内的换热加强，这种利用辐射的强化传热作用只有在较高壁温( 例 如，超过5 0 0 * ( 7 ) 的情况下才比较明显。太阳表面温度高达5 7 6 2 k ，所以 在利用太阳能的传热系统中，气一固悬浮流必将找到发挥其强化传热作用 的位置。弥散于气流中的固体微粒对传热的作用一般通过以下四个方面 来实现。i ) 固体微粒从核心流穿过过渡层进入层流底层时对边界层产生 扰动，使层流底层厚度减薄，从而减小了热阻。这是它们增强对流换热 的主要因素。2 ) 固体微粒在湍流核心对气体的湍流扩散产生阻尼作用， 这将导致主流中的湍流强度减弱，因而成为固体微粒可能降低换热系数 的主要因素。3 ) 固体微粒与气流间的速度差别所引起的相对运动，增强 了气流相互间的湍流混和。4 ) 处于气流不同部分的固体微粒具有不同的 温度，它们的径向运动也是引起传热增强的一个因素。 类似于气一固悬浮流，在液体中掺加固体颗粒也可起到增强传热的作 用。例如，在甘油或者氯化钠水溶液中分别添加不同体积含量的直径为 5 0 或1 0 a m 的聚苯乙烯小球，当流体作层流运动时其导热率比静态悬浮体 显著增大，增加的幅度与颗粒直径、浓度等许多因素有关。能够增强液 体换热的另一添加物就是气泡。如果在加热段上游的液体中注入少量小 直径气泡，它在液体中的相对运动，尤其是在近壁部分与边界层的相互 第1 章概述 作用，可以明显地增强换热面上的传热效果。它不同于液体在过冷沸腾 时的传热机理，因为气泡不是在加热面上产生、增大和脱离的，所以换 热系数与表面热流密度无关，它只决定于液相r e 及气体流率。实验结果 表明，液体中掺加气泡时的换热最大可增强5 0 。 e 有源强化 ( 1 ) 射流冲击流体通过圆形或者狭缝形喷嘴直接喷射到固体表面进 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 1 1 3 1 。由于流体直接冲击需要冷却或加热的表面，流程短而边界层很薄， 因此换热系数比通常的管内换热要高出几倍以至一个量级。为此，它得 到了越来越广泛的应用。在工业生产中，纺织品、纸张、木材等的干燥， 玻璃的回火，钢材的冷却及加热，内燃机活塞的喷射冷却等，都普遍地 应用了射流冲击技术。在尖端技术中，射流冲击也是很有效的冷却手段。 例如，航空发动机涡轮叶片的冷却己广泛地采用冲击冷却技术。现在， 计算机高热负荷微电子元件的冷却也已经正式采用了这种方法。实际应 用中，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。如果射流出口没有极高的湍流度，那么 从射流出口到6 8 倍射流宽度( 直径) ，传热系数才达到最大值。而在中 间的部分，传热系数是比较低的，提高这部分传热系数，就是所谓射流 冲击传热的强化。如果射流喷管有较大的长度，当射流喷出时，湍流度 己经很高，则在出口处即可达到最高的传热系数。但是，在工程应用中， 由于结构的限制，喷嘴到传热面的距离非常有限，因而在传热面上得到 的传热率比峰值低得多。一般为了增加换热效果，可在喷嘴内安装湍流 强化器、多孔板、金属丝网等来提高射流出口的湍流程度。 ( 2 ) 表面振动与流体振动表面振动能够直接破坏边界层而获得传热 的增强i l4 1 。表面振动最直接的办法是用电力振动器，也有用电机带动偏 心轮装置来实现。因为换热设备质量大，振动起来又易损坏，在实际应 用中是比较难实现的。于是人们又想出另外一个办法，即利用流体振动 来强化换热。流体的振动可以用流动间断器或电压转换器来实现，振动 武汉工程大学硕士学位论文 的频率范围可以从l k 到1 0 6 k 。流体振动时对促进单相自然对流和受迫 对流换热都有一定的效果，但对高粘度流体的层流流动，对流体的换热 系数基本上无影响。在脉动频率不大时，作准稳态处理，并用稳态公式 进行分析可知，流体脉动频率越高或流体的基本流量越小，流体脉动产 生的传热增强就越大。 ( 3 ) 电磁场作用下的对流换热在强电场或磁场的作用下，流体与固 体壁面间的对流换热强度有不同程度的增加。由于电场中电荷运动与流 体速度场耦合而引起的现象，可以显著地改变流体的运动规律，并加强 流体混合，因而可使换热增划”j 。早在1 9 3 6 年，s e n f l l e b e n 首先发表文章 阐述了在强电场作用下气体自然对流换热的加强。其后，k r o n i g - a h s m a n n 的实验证明了绝缘的介电液体也可用强电场来增加其对流换热系数。几 十年来，人们对于在直流和交流电场或磁场影响下的对流换热进行了广 泛的研究。应用电磁场强化对流换热的主要问题是需要附加设备。这些 设备的电能消耗是很小的。尽管它们所需的电压很高，但通过介电流体 的电流仅有几个微安。电磁强化传热技术是一种很有发展前途的强化方 法。近几年的试验证明，直流电场对换热的强化作用比交流电场要强得 多，它对自然对流换热及低雷诺数得强制对流换热都有显著的强化作用。 如果在流体中掺入磁铁粉，即使在比较大的雷诺数下，磁场也能对换热 过程起强化作用。 1 1 2 相变流体换热强化的研究进展 相变换热是极其复杂的，它不仅涉及到动力学，而且牵涉热力学问题。 目前对其换热机理及计算公式的研究仍在探索中，主要是半理论、半经 验、以实验为基础，而且在相当长段时间内仍将是实验性很强的学科。 a 冷凝换热的强化 一般有相变时的换热系数大于无相变时的换热系数，但对于有机蒸汽 ( 如氟利昂蒸汽) 的冷凝换热，由于它们的冷凝换热系数比较低，强化 第l 章概述 冷凝换热过程就比较重要。蒸汽在壁面上冷凝有两种方式：膜状冷凝和 珠状冷凝。由于冷凝液膜是影响膜状冷凝换热的主要因素，所以强化膜 状冷凝换热的任务就是加速冷凝液的排泄，减薄液膜厚度，使冷凝液膜 的热阻达到最小。珠状冷凝能使大部分冷表面直接与蒸汽接触，从而极 大地提高冷凝换热系数，一直受到广泛地研究。但在过程中长期运行的 冷凝器中，几乎都是膜状冷凝。下面介绍膜状冷凝的强化方法。 ( 1 ) 管外冷凝换热的强化1 ) 采用低肋管：由于在低肋管肋片上形 成的冷凝液膜较薄，所以冷凝换热系数比光管要高，一般可以提高一倍 左右。低肋管不仅冷凝换热系数要高，而且换热面积要比光管多一倍以 上。应用低肋管还可使冷凝器的体积减小很多。低肋管的肋片间距尺寸 需要根据冷凝液体的表面张力和蒸汽流动产生的对液膜的剪力来研究。 用于制冷剂或其它低表面张力液体的低肋管，一般管上肋片密度为每平 方厘米管上7 1 4 片，而对于蒸汽则肋片密度为每平方厘米管上6 片时效 果较好。2 ) 应用纵向肋或凹槽：1 9 5 4 年g r i g o r g 最早提出采用纵向沟槽表 面来强化垂直壁上冷凝换热的方法。强化机理是利用液体的表面张力把 顶部的冷凝液拉入槽底，然后在重力作用下冷凝液沿沟槽底部排除，从 而在顶部形成极薄的冷凝液膜，因而可比光管的换热系数增加很多。m o r i 等按照他们的数值分析法，求得纵槽管的表面最佳几何形状有四个特点： 尖锐的前缘；从顶部到根部肋表面的曲率逐渐变化；肋问有宽槽用以收 集冷凝液；在纵管洞垂直方向安装分段排液盘以便冷凝液及早脱落。3 ) 在垂直光管上附设金属丝：在垂直的光管外设置纵向金属丝，如果金属 丝直径比冷凝液膜厚度大并且具有能被冷凝液润湿的性能，则在表面张 力的作用下，冷凝液将聚焦在金属丝附近顺着金属丝流走，管子外壁上 的液膜将会变薄，因而可提高换热效果。 ( 2 ) 高效冷凝管( 水平布置) 1 9 7 8 年h i r a s a w a 对层流膜状冷凝时表 面张力的作用进行了理论分析和数值计算，得出结论：换热强化倍率随 着肋高的减小及肋尖端圆角半径的减小而增加。因此，普通低肋管开始 向微细肋管方向发展。日本生产的t h e r m o e x c e l c 型管( 简称c 管) 武汉工程大学硕士学位论文 和国内生产的d a c 管都属于微细肋管，都具有很高的冷凝换热系数。日 本产的高效c 管是用机械加工的方法制造的微细肋管，其肋片侧面粗糙， 顶部呈锯齿状，这种细密、尖锐的表面锯齿结构，不但使冷凝液膜变薄， 而且也有利于冷凝液落下，冷凝换热系数为光管的8 1 2 倍，为环形低肋 管的2 倍。国内开发和生产的d a c 管，经测试表明，其性能已达日本c 管 的水平，冷凝换热系数为光管的8 9 倍，为国产低肋管的2 7 倍【1 6 1 。 ( 3 ) 冷凝换热的有源强化在冷凝换热过程中，当有换热面振动、流 体振动或电场、磁场等外力作用时，均可使冷凝换热得到不同程度的强 化。例如，在6 3 k v 非均匀直流电场的作用下，乙二醚的冷凝换热系数可 以提高2 0 倍。据报导，一垂直光管作横向振动，当振幅为6 。3 m m 、频率为 9 8 h z 时，可使冷凝换热系数增加5 5 t 1 6 】。 b 沸腾换热的强化 强化沸腾换热可以根据设备的工作条件，或提高其沸腾换热系数，或 提高其临界热流强度，或二者同时强化。增加设备上的汽化核心数量及 气泡产生的频率是强化沸腾换热的主要途径。 ( 1 ) 表面多孔管表面多孔管是7 0 年代后开发的高效沸腾换热管，按 其加工方法分为：机械加工、烧结、喷涂、电化学等，均是在加热面上 形成一层能够强化泡态沸腾的多孔。这些细微小孔所形成的汽化核心， 在沸腾温差很小( 只有1 2 0 c ) 时，液体就开始沸腾，现己商品化的有美 国的f h g h - f l u x 管，简称高热流管，它是用烧结的方法使表面形成多薄 层：日本日立公司制造的t h e r - m o e x c e l e 管，简称为e 型管，它是用 机加工方法使表面成多孔状，加工工艺简单，易批量生产，应用最为广 洌17 】；德国威兰德公司8 0 年代生产德g e w a t 管，简称t 型管。除了以上 3 种典型的汽化沸腾管外，还有如t u r b o b 强化管，e c r 4 0 ，c s b s 强 化表面等。 近几年来我国也研制了多种高效沸腾管，如华南理工大学【18 l 用机加工 的方法制成蒸发器中用的强化沸腾管，其沸腾换热系数为光滑表面的 4 5 8 倍，其沸腾换热温差仅为光滑表面的1 1 0 1 8 。清华大学和石家庄 第1 章概述 高效换热元件厂合作，己生产出d a e 高效蒸发管，烟台冷冻机厂在f l z 2 0 水冷机组上采用d a e 高效蒸发管代替梅花铝芯管后，在强化了换热效果 的同时，换热管数减少了4 3 ，换热管材料消耗减少了3 2 ，成本降低 2 6 3 t 1 9 1 。 ( 2 ) 强化沸腾换热的其它方法1 ) 用射流冲击强化沸腾换热：近几 年来，随着工业的发展，换热过程热负荷不断提高，以液体为工质的射 流冲击换热受到广泛重视，在冶金和微电子技术方面已开始得到应用， 如日本把液体射流冲击应用于大型计算机m 7 8 0 的冷却系统中等。当液体 射流冲击到加热面上时，如果壁面热流密度较低则不会产生沸腾，其换 热特征是单相流体受迫对流换热，同气体射流无多大差别：当热流密度 高至足以产生沸腾时，成为两相射流冲击换热，情况就完全不一样了。2 ) 采用抑泡孔板强化沸腾换热：气泡在生长过程中，泡底的微层流体的蒸 发起着重要的作用，加热面同生长气泡之间的蒸发微层液膜厚度很薄， 其数量级大致为1 0 。所，因此穿过此微膜的导热热阻很小，如果采取措施 适当增大微层液膜的面积和延长微层蒸发时间，即可以强化沸腾换热。3 ) 用非润滑表面来强化沸腾换热：对于沸腾换热，可以采用减小液体与壁 面之间的润湿性来提高换热系数。4 ) 用插入物强化管内流动沸腾换热： 和单相流体一样，在管内置入各种插入物也可以强化流动沸腾换热，通 常采用的插入物有涡流叶片、纽带等。这些插入物可使流体产生扰动而 增加了湍动程度；可使流体径向速度增加而使边界层变薄；可产生很大 的离心力使两相流中密度较高的液体冲向壁面，而密度低的气体则集聚 管道中心，因而可以大大提高换热效果。但是当有插入物时，会增加两 相流的压力损失，所以在采用时应当慎重。 1 2 本文研究的意义及主要工作 1 2 1 本文研究的意义 武汉工程大学硕士学位论文 随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严 重，必然带来更多高性能、高参数换热设备的需求。作为一种节能设备， 换热器不仅是保证加工过程正常运转不可缺少的设备，而且就金属消 耗、动力消耗和投资来说，其在整个工程中所占的比例很大。据统计， 换热设备在石油行业的投资约占全部工艺设备投资的4 0 左右，其中管 壳式换热器占7 0 1 2 0 。因此从节能、省材和节约资金角度来说，如何 选用高效换热器换热设备在化工过程中起着至关重要的作用。 波节管换热器自从1 9 9 0 年问世以来，其优越的性能，很快得到了广 泛的应用并获得了好评【2 1 1 ，成为管壳式换热器更新换代的产品，己成功 应用于供热工程、空压机出口的空气冷却器中1 2 2 j 。 尽管前人对波节管换热器的研究较多，但是缺乏一些基础数据以及 工艺计算本身的复杂性导致在工程设计中要么凭经验、要么按光管换热 器进行计算，这样处理将不能充分体现波节管换热器高效节能的优势， 这些会限制波节管换热器的应用与发展。 本文通过波节管换热器传热与流阻试验和传热理论相结合，研究了 工程中常用规格波节管换热器的传热与流阻性能。用数值方法分析了波 节管内速度场和温度场的分布规律。对选定的结构方案做了传热与流阻 性能对比评价，确定了较好的方案，拟合出了波节管内传热准则关系式 和阻力准则关系式。本文研究结果对于波节管换热器工程应用有一定参 考价值。 1 2 ，2 本文主要工作 以冷、热水为介质，对三种不同几何尺寸波节管和光管的传热和阻 力特性进行试验。 对比三种规格的波节管，研究波距和波深对波节管换热器管内传 热和阻力性能的影响。对选定的结构方案做传热与流阻性能对比评价， 1 2 第l 章概述 确定较好的方案。 根据本试验数据拟合出准则公式，为波节管换热器工艺计算提供 参考。 用a n s y s 有限元分析软件研究波节管内速度场和温度场的分布规 律，用有限元软件研究波节管平均努塞尔数n # o 并与试验值进行对比。 武汉工程大学硕士学位论文 第2 章波节管传热与流阻理论计算 2 1 波节管传热理论计算 本论文试验主要是在实验室内完成，试验介质为清洁的冷、热水，热 水走管程，冷水走壳程，试验采用电加热，以离心泵作为动力，使热水 在管束中强制流动。管程进口热水温度控制不大于7 0 。c ，壳程进口水温 为室温。流体无相变，传热过程主要是对流传导对流间壁式换热。为分 析和计算方便，假设：介质为连续介质流体；传热过程为稳态传热。 由于试验换热设备中管子壁面比较薄且光洁无污物，故不考虑换热管的 热阻、污垢系数和自然对流传热，应依据强制对流传热理论计算式。 2 1 1 传热方程 流体流过温度不同的固体壁面时的传热过程为对流传热过程，而换热 器中的热对流均为强制对流，由于在换热壁上存在速度边界层和热边界 层，在紧贴壁面还形成一个层流底层。层流底层内垂直于壁面方向的传 热只能靠传导，而层流底层以外则主要靠热对流。因此，对流换热是集 导热和热对流于一体的综合传热现象，而换热系数是这两种作用的综合 强度指标。由于对流换热量等于贴壁流体层的导热量，因而可把牛顿公 式和傅立叶定律联解得出换热微分方程式 = 一( 6 煳一，一旦决定了 温度梯度，即可解出h 。为此，从对流换热必须服从能量守恒、质量守恒 和动量守恒的原理。 由能量微分方程： 要+ “罢+ v 雾+ w r 篆= d 窘+ 等+ 窘) ； c 2 山 瓦州i w 面州瓦2 1 萨+ 矿+ 可j ； u _ 其中“、v 、w 分别表爪流体在j 、y 、z 方向的流速，r 为时间，口= 三 第2 章波节管传热与流阻理论计算 为热扩散率。 动量微分方程： 罢+ 石o u + v 参+ w o u - g = g ，一古象+ 吖- 扩i f - + 窘+ 筹) ；( z - z ，瓦枷石万+ w2 ，一万言+ 1+ 矿+ 萨j 5 等+ “妻+ v 参+ w 暑= g y 一吉考+ i 字+ 窘+ 箬 ； t 2 固 瓦枷夏w 万+ w 石2 一石方+ 1 石+ 矿+ 矿j 。 厶j 筹+ “芸+ v 考+ w - 却f f = g ：一古老+ p ( 字+ 亭+ 箬 ；( z - 4 ) 瓦栅瓦 瓦+ w2 ：一万言l 石+ 矿+ 可j ； 其中p 为密度，y 为动力粘度，g 为单位质量的体积力，p 为压力。 连续方程式是根据质量守恒原理建立起来的，即在d r 时间内，流入 与流出微元控制体的质量之差应等于微元体内质量的增量，对于不可压 缩流体该增量为零。于是连续方程可写为： 罢+ 宴+ i o w ：0 ( 2 5 ) 盘卵 这样在理论上就解决了决定温度梯度的问题。即通过能量方程求解 温度梯度，而能量方程中所包含的速度分布则由动量方程和连续方程去 求解，这样通过一定的定解条件和换热微分方程式，即可求得h 的解。 然而，由于实际问题的复杂性和数学手段的有限性，使得这一复杂 的微分方程难以实现分析求解。 而实验解是解决对流换热微分方程组中的一大重要途径。在传热学 中常常把实验结果的数据整理成半理论、半经验的准则方程式，以数学 解的形式给出已知量与待求量之间的关系。 武汉工程大学硕士学位论文 2 1 2 壁温计算 在对管壳式换热器进行传热计算时，需测量管壁温度，然而测量壁 温采用试验的方法较困难，本试验采用估算迭代法来计算壁温。 根据迭代法计算要求，先假设管程与壳程壁温乙、t ，使之与冷、 热流体定性温度乙、f _ 满足乙 t m 的关系，同时q 、可取： q = 丽q = 丽q 对于波节管由传热系数计算式 一1 ；上+ j l n 生+ 上 r 2 6 ) k f oq e2 刀九，如e 、7 式中：f 一一管内侧换热面积，m 2 ； e 一一管外侧换热面积，m ：； q 一一管内流体的换热系数，w ( m 2 o c l ； 吒一一管外流体的换热系数，w ( m 2 o c l ； 幽一一管内当量直径，m ； 蛾一一管外当量直径，m ； 九一一换热管材料的导热系数，w ( m o c ) ； 卜一一管长，肌。 求出k 值，将算得k 值代入传热基本方程式q = k f a t ，得传热量q 值。 对比所得q 与式实际值q 宴际= 啊( 互一五) = 埘j ：c p ：( t 2 一 ) 是否接近。如不 接近，重新假设l 、，。进行计算，直到计算q 值与实际值相等或非常接 近为止。其计算壁温流程图如图2 1 所示( 此处l = t ) 。 注意壁温总是接近对流换热系数口值大的一侧流体的温度，因此在 第2 章波节管传热与流阻理论计算 选择壁温迭代时，应考虑管内外对流换热系数的大小情况。同时由于热 流体走管内，在计算管内传热系数时，可以不考虑热量损失，但在计算 管外传热系数时，应考虑到存在冷流体与壳体的热量损失口3 1 。 图2 1 壁温流程图 由壁温的迭代计算，可求得计算的传热量数值，并由此求得总传热系 数k ，再根据修正的威尔逊图解法进行求解1 ，这样就可以得到管程和 壳程的传热膜系数。 2 i 3 对数平均温差、平均流速的计算 对数平均温差 由传热基本方程式q = 幻w ，可知换热器总传热系数为 k ：卫 f ， 式中对数平均温差，。计算方法如下： 若等 2 ，取出，：垒尝 凸一 “ 2 ( 2 - 7 ) 武汉工程大学硕士学位论文 否则就取厶f 。= 鲁蔷告( 2 - 8 ) & 为换热器逆流时较大的温差【2 3 1a t , = 五一，2 ； f i t ，为换热器逆流时较小的温差田1a t ：= 疋一f l ； 管、壳程流速【2 5 1 在传热计算中，根据流体的体积流量，在计算管程流道或壳程流道 内流体流动的线速度时，先要确定流道的截面积以。 1 ) 对于管程流道，截面积为： 厶= j r d e , 2 n 4 ，取流速为= ， ； 2 ) 对于壳程流道，截面积为： t = x ) 2 4 一l t d e ：n 1 4 ，取流速为= 厶。 2 1 4 雷诺数及平均努塞尔数的确定 在评价换热器传热性能时，经常用到雷诺数及平均努塞尔数来进行对 比研究，其计算式嘲如下： r e ，a 生! 生! ：鱼( 2 - 9 ) , u h o 舰，：_ a , j e , o ( 2 - 1 0 ) 2 2 波节管流阻理论计算 t 质流经长为，的试验段后产生的摩擦压降为