（化工过程机械专业论文）螺旋槽管传热与阻力性能的研究及工程应用.pdf

硕士学位论文 摘要 i i i i ii i i ii i i i i ii l um ii ii y 2 2 5 3 4 8 9 换热器是热力过程中的关键设备，广泛应用于能源、动力、化工、冶金、机 械、交通、航空与航天等领域。换热器不仅是为了满足工艺的特定需要，而且也 是回收能量、节约能量的有效装置，在回收利用余、废热能方面发挥着重大作用。 7 0 年代的世界能源危机，有力地促进了强化传热技术的发展。为了节约能源降 低消耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程的高性能换热设 备。 螺旋槽管是其中的一个重要分支，它是一种优良的高效异形强化传热管件。 螺旋槽管是将光管在特殊的成型设备上滚压而成，并且可以在光滑管壁上加工出 各种不同的螺旋槽。其主要结构参数有螺距尸，槽深p ，槽半径厂和头数。 本文主要采用数值模拟和试验研究的方法对以滚压成型的螺旋槽管进行对 流传热和冷凝传热的研究，主要的研究工作如下： ( 1 ) 将对流传热的场协同理论应用于螺旋槽管套管换热器传热与流阻特性 数值研究，并和波纹管及光管相比较。表明螺旋槽管流体均产生以旋流和漩涡为 主要特征的复杂流动，获得较强的旋转扰动，从而较大程度地强化了传热过程。 螺旋槽管的传热和抗积垢性能比光管和波纹管都要好。 ( 2 ) 利用数值模拟的方法，研究了流体流动状态和螺旋槽管几何参数对传 热、流阻和综合性能的影响，表明螺旋槽管这种强化传热元件的强化传热效果和 特点。 ( 3 ) 搭建冷凝换热器性能测试试验平台，对多根不同结构参数螺旋槽管进行 冷凝试验研究，并和波纹管及光管相比较，分析强化传热优势和特点。得到螺旋 槽管的几何尺寸、流体流动状态对螺旋槽管冷凝传热与流阻特性的影响。 ( 4 ) 根据试验结果，通过多元数据回归提出反映螺旋槽管管内传热与流阻及 管外传热特性的准则关系式，具有一定的实用价值和工程意义，可以用来指导螺 旋槽管冷凝器的设计。 关键词：强化传热螺旋槽管波纹管数值模拟试验研究 硕士学位论文 a bs t r a c t t h eh e a te x c h a n g e ri so n eo fk e ye q u i p m e n ti nt h et h e r m o d y n a m i c e n e r g y p r o c e s s ，a n dh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fe n e r g ye n g i n e e r i n g ，p o w e ri n d u s t r y ， 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 ，t r a n s p o r t a t i o n ，a v i a t i o n ，e r e t h eh e a t e x c h a n g e ri sn o to n l yap i e c eo fe q u i p m e n tw h i c hs a t i s f i e st h ep a r t i c u l a rd e m a n do f t e c h n o l o g y ，b u ta l s oa ne f f e c t i v ed e v i c ef o re n e r g yr e c y c l i n ga n ds a v i n g t h ee n e r g y c r i s i so f19 7 0 sa c c e l e r a t e dt h ed e v e l o p m e n to fh e a tt r a n s f e re n h a n c i n gt e c h n o l o g y d r a m a t i c a l l y i no r d e rt or e d u c et h ee n e r g yc o n s u m i n ga n dy i e l dg o o de c o n o m i c r e t u r n s ，d e v e l o p i n gh i 曲p e r f o r m a n c eh e a te x c h a n g e rw h i c hi sa p p l i c a b l ef o rd i f f e r e n t i n d u s t r yp r o c e s si sr e q u i r e d s p i r a l l yg r o o v e dt u b ei st h ei m p o r t a n to n eo ft h e m t h i sk i n do ft u b ei sf o r m e d b ym e a n so fr o l l - p r e s s i n gp r o c e s so ns m o o t ht u b et h r o u g hs p e c i a lf o r m i n gd e v i c e ，a n d c a nb em a n u f a c t u r e di n t om a n yk i n d so fs p i r a l l yf l u t e s t h em a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r s o fs p i r a l l yg r o o v e dt u b ea r et h r e a dp i t c h ，g r o o v ed e p t h ，g r o o v er a d i u sa n ds p i r a l l y n u m b e r s s t u d y o fs p i r a l l y g r o o v e dt u b e c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eb y n u m e r i c a ls i m u l m i o na n dc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eb ye x p e r i m e n t a l r e s e a r c hw a sc o n d u c t e di nt h i st h e s i s t h em a i nw o r ko ft h es t u d yi ss u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) f i e l ds y n e r g yp r i n c i p l ew e r ea p p l i e di nt h en u m e r i c a lr e s e a r c ho fh e a t t r a n s f e ra n df l o wf r i c t i o np r o p e r t i e si nb o t ht u b e - - s i d ea n ds h e l l - s i d eo fs p i r a l l y g r o o v e dt u b e h e a te x c h a n g e r s t h e c o m p o s i t i o no ft h o s ep r o p e r t i e s b e t w e e n c o r r u g a t e dt u b ea n ds m o o t ht u b ew a sc o n d u c t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a ts w i r lf l o w a n dv o r t e xf l o wa r ep r o d u c e di n s p i r a l l yg r o o v e d ，t h es w i r lf l o wa n dv o r t e xf l o w r e s u l ti ns t r o n gd i s t u r b a n c ea n di m p r o v eh e a tt r a n s f e rp r o c e s s t h eh e a te x c h a n g ea n d i n c r u s t a t i o nr e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e o f s p i r a l - g r o o v e dt u b e i sb e t t e rt h a nt h e c o r r u g a t e dt u b ea n ds m o o t ht u b eu n d e rs p e c i f i co p e r a t i n gc o n d i t i o n ( 2 ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw a sa p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so ff l o w a b s t r a c t s t a t ea n dg e o m e t r i cp a r a m e t e rt oh e a tt r a n s f e ra n df l o wf r i c t i o np r o p e r t i e s i n s p i r a l - g r o o v e dt u b e ，t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c so ft w i s t e dt u b e w e r ei l l u s t r a t e d ( 3 ) a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mf o rt h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e t e s t o fh e a te x c h a n g e rw a sd e s i g n e d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a sc o n d u c t e dd i f f e r e n ts i z e t e s ts p i r a l - g r o o v e dt u b e s a n dc o m p a r e dw i t l l _ c o r r u g a t e dt u b ea n ds m o o t ht u b e e f f e c t so ff l o ws t a t ea n dg e o m e t r i cp a r a m e t e ro fs p i r a l g r o o v e dt u b e so nh e a tt r a n s f e r a n df l o wf r i c t i o np r o p e r t i e si nt u b e - s i d ea n dc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ri ns h e l l - - s i d e w a si n v e s t i g a t e db yt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t ，t h ec o r r e l a t i o ne q u a t i o n sw e r e g i v e nr e s p e c t i v e l yu s i n gt h em u l t i p l er e g r e s s i o nm e t h o d ，w h i c hr e f l e c t t h eh e a t t r a n s f e ra n df l o wf r i c t i o np r o p e r t ya n dp r o v i d eh e l p f u lg u i d a n c ef o rt h er e s e a r c ha n d d e s i g no fs p i r a l - g r o o v e dt u b ec o n d e n s e r 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 ；s p i r a l g r o o v e dt u b e ；c o r r u g a t e dt u b e ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 硕士学位论文 目录 摘! 要。i a b s t r a c t i 目录i 第1 章绪论。1 1 1 课题的意义和研究背景1 1 2 课题的研究目的2 1 3 强化传热概述3 1 3 1 一般性分析4 1 3 2 边界层分析4 1 3 3 强化传热的目的与任务6 1 3 4 强化换热的途径7 1 4 螺旋槽管的研究现状及发展动态8 1 4 1 试验研究现状8 1 4 2 数值研究现状15 1 5 小结1 7 1 6 本文所做工作一18 第2 章螺旋槽管强化传热机理及场协同原理理论分析1 9 2 1 螺旋槽管强化传热机理19 2 1 1 二维粗糙面强化传热机理19 2 1 2 粗糙表面几何参数的选取2 2 2 2 场协同原理理论分析2 3 2 2 1 层流时速度场与温度场的场协同理论一2 3 2 2 2 湍流时速度场与温度场的场协同理论一2 6 2 3 小结2 7 第3 章螺旋槽管在对流条件下传热及阻力性能的研究2 8 目录 3 1 换热器数值模拟研究概述一2 8 3 1 1 换热器数值模拟概述2 8 3 1 2 数值模拟方法基本过程3 0 3 2 螺旋槽管传热与流阻特性数值研究一3 2 3 2 1 计算模型3 2 3 2 2 边界条件3 4 3 3 换热管管内传热及阻力性能的比较3 5 3 4 流动规律的对比3 7 3 4 1 管内流动规律3 7 3 4 2 管外流动规律3 9 3 4 3 积垢情况4 0 3 5 结构参数对螺旋槽管传热与阻力性能的影响4 l 3 6 小结4 5 第4 章螺旋槽管的冷凝试验研究4 6 4 1 试验目的一4 6 4 2 试验方案一4 6 4 3 数据采集系统及仪器选择4 8 4 4 试验步骤4 8 4 5 试验数据处理4 9 4 6 试验结果分析5 3 4 6 1 可视化冷凝试验现象分析5 3 4 6 2 螺旋槽管与波纹管及光管传热与与阻力性能比较5 7 4 6 3 结构参数对螺旋槽管传热与阻力性能的影响6 0 4 7 正交试验分析6 3 4 8 螺旋槽管传热及阻力性能准则关联式6 4 4 9 爿、结6 4 第5 章螺旋槽管的工程应用6 6 5 1螺旋槽管的应用范围6 6 5 2 螺旋槽管在凝汽器中的应用6 6 硕士学位论文 5 3 螺旋槽管凝汽器的经济性分析6 7 5 4 工程实例6 7 第6 章结论与展望。6 9 6 1 结论6 9 6 2 展望7 0 参考文献。7 1 符号表8 1 攻读学位期间成果8 3 致谢8 4 i i i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的意义和研究背景 自2 0 世纪7 0 年代初中东石油危机爆发以来，以能源为中心的环境、生态和 社会经济问题日益加剧，世界各国充分认识到节能的重要意义，能源的合理利用 已成为当今世界各国如何良性发展工业的核心问题。随着现代工业的飞速发展， 能源紧张的状况愈演愈烈。为缓和能源紧张的状况，世界各国都在寻求新能源及 节能的新途径。而要研究如何开发诸如核能、地热、太阳能等新能源，如何高效 回收化工、石油等工业生产过程中存在的大量余热并加以充分利用，都离不开寿 命周期费用最经济、综合效率最高的换热器【l 。3 j 。因此，从节能、节材和节约资 金角度来说，世界各国都非常重视换热器强化的开发研究。 近5 0 年以来，各工业飞速发展，在发展的过程中，广泛使用的就是换热器， 如何提高换热器的效率，提高其设备容量，成为一个重要的问题。例如，在利用 海洋表面海水和深层海水的温差( 1 5 。c 2 0o c ) 进行发电的海洋温差发电系统中， 利用海洋表面温热海水在蒸发器中加热氨或氟利昂等低沸点工质产生蒸汽以推 动汽轮机发电，自汽轮机排出的排气再在凝结器中利用深层冷海水冷凝成液体。 这种发电系统的特点是传热温差很低，推动力较小，蒸发器和凝结器的体积都较 大，因此，投资费用约占到系统总投资费用的5 0 。所以，这种发电系统成功 与否的关键是是否能够研制成高传热系数的高效换热器。 在实际工业生产中，应用强化传热技术最多的便是换热器。换热器在各种工 业中不仅是保证工程设备正常运转不可缺少的部件，而且在金属消耗、动力消耗 和投资方面占有整个工程中的重要份额。以下数据可以看出换热器或者说强化传 热技术在工业中的地位，据统计 4 1 ，在热电厂中，如果锅炉也作为换热设备，则 换热器的投资约占整个电厂投资的7 0 左右；在动力消耗方面，车辆冷却系统所 消耗的功率占发动机输出功率的3 0 o , - , 1 5 。在一般石油化工企业中，换热器的投 资要占全部投资的4 0 0 o , - , 5 0 ；在现代石化企业中也要占约3 0 0 o - - , 4 0 。在制冷机 中蒸发器的质量要占总质量的3 0 - - 4 0 ，其动力消耗约占总值的2 0 3 0 。 强化传热研究的主要任务是改善提高热传递的速率，以达到利用最经济的设 备来传递规定的热量，或是用最经济的冷却来保护高温部件安全，或是用最高的 热效率来实现能源合理利用。因此，强化传热因其在工业生产和能源利用中的特 第1 章绪论 殊作用而得到不断的发展。 高效强化传热管的研究一直是传热领域最活跃和最有生命力的重要研究课 题【5 】o 螺旋槽管( 亦称螺纹管) 是其中的一个重要分支，它是一种优良的高效异形 强化传热管件。螺旋槽管是将光滑管在特殊的成型设备上滚压而成，并且可以在 光滑管壁上加工出各种不同尺寸的螺旋槽。其主要结构参数有螺距尸，槽深p ， 槽半径，和头数。，结构如图1 。 1 2 课题的研究目的 图1 1螺旋槽管结构图 f i g 1 1s t m c t u r eo fs p i r a l - g r o o v e dt u b e 螺旋槽管是在圆管表面滚压出螺旋形的凹槽，在管内形成螺旋形凸肋的异型 管。管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中显著提高管内外传热系数，通 常起到双侧强化传热作用【6 】。 在众多强化传热技术中，螺旋槽管被广泛认为具有优越的强化传热性能，其 传热系数比光管提高了7 0 【7 ，8 1 。张亚军【9 】等人对螺旋槽管、横纹管和两种不同 结构尺寸的缩放管进行了流阻和传热性能试验研究，通过综合性能评价，得出螺 旋槽管的性能最优。且具有良好的抗积垢性能【l o 1 1 1 。因而广泛用于动力、海水淡 化、船舶、炼油、石油、化工等换热设备上。图2 是螺旋管换热器管束结构。 图1 2 螺旋槽管换热器管束结构图 f i g 1 - 2s t m c t u r eo f b u n d l ei i ls p i r a l - g r o o v e dt u b eh e a te x c h a n g e r 目前，螺旋槽管作为一种强化传热管，在工程当中已经得到了广泛的应用。 硕士学位论文 目前主要应用在空气预热器上，经文献【1 2 j 计算，贵溪发电厂采用螺旋槽管空气预 热器替代回转式空气预热器，每年可节省4 3 4 万元能源费用。东南大学对螺旋槽 管在空气预热器上应用的研究较多，但是局限于纯粹的单相换热试验研究 1 3 , 1 4 ， 对于相变传热的试验研究较少，理论研究也缺乏。虽然各国学者对螺旋槽管管内 外以及不同工质在不同槽深、螺距，在无相变情况下的流体阻力与传热性能作了 较多的试验研究，并根据试验结果整理出了一些不同的关联式【1 5 , 1 6 】。但是由于螺 旋槽管的结构参数不同、流动状态和换热机理的复杂性，研究方法和侧重面的不 同，因此试验结果相差很多，很难具有可比性，尤其是大多没有考虑槽半径对其 性能的影响。且螺旋槽管在冷凝器上的应用的研究还不够，所以对此情况下的研 究显得尤为必要。 1 3 强化传热概述 科学技术的发展和能源问题的日益突出，对换热器的要求越来越高，各种强 化传热技术在新型换热器的开发上不断地得到应用，强化传热技术本身也获得了 人们广泛的重视和研究，得到了很大的发展。从1 9 世纪末开始，人们开始关注 强化传热研究，但由于当时的工业生产水平对强化传热的要求不是很迫切，所以 对于强化传热的研究基本上属于试验科学，还不成熟，相应的强化传热技术属于 第一代。从7 0 年代的石油危机开始，国际传热界加强了传热传质过程机理的研 究，发展了第二代强化传热技术以提高传热效率和节省能耗 1 7 - 2 1 】。目前应用于新 型换热器开发设计的强化传热技术多属于第二代强化传热技术。 强化传热的研究从热量传递的三种方式入手，但研究最多和应用较广的是对 流强化传热的研究。以b e r g l e s 为代表的美、日等国学者，着眼于换热与阻力的 关系，也就是将采取强化传热措施后所获得的收益与付出的代价联系起来，把目 光集中于工程应用，依据该技术是否需要额外的动力划分为无源技术( p a s s i v e t e c h n o l o g y ) 和有源技术( a c t i v et e c h n o l o g y ) 2 3 1 。无源技术不需要额外的功率消 耗，而有源技术则需借助于外加动力方可实现。无源技术由于它不需要其他附属 设备和额外功率消耗，在工业生产中的应用比有源技术更为广泛。无源技术主要 包括以下八种：表面处理【2 4 , 2 5 、粗糙表面 1 8 , 2 6 、扩展表面 2 7 , 2 8 】、扰流元件 2 9 , 3 0 】、 旋流发生器【3 1 1 、螺旋管3 2 1 、表面张力器件【3 3 1 、添加物3 4 1 。属于有源技术的有以 下六种：机械搅动【35 1 、表面振动【3 6 】、流体振动 3 7 , 3 8 】、电磁场【3 9 1 、喷注或抽吸【4 0 1 、 第l 章绪论 射流冲击【4 1 ，4 2 1 。此外，还有所谓的复合强化传热技术【4 3 1 ，也就是两种或两种以 上强化传热措施同时应用，以期获得更大的强化传热效果。 1 3 1 一般性分析 对流换热过程的机理研究，主要是分析流体及其输送设备几何参数对对流换 热系数的影响。主要存在以下几方面： ( 1 ) 流动状态的影响 根据流体流动的性质，流动的状态可分为层流、湍流和与介于两者之间的过 渡流三种。在层流状态下，流体沿相互平行的流线循序渐进，成层运动，在垂直 于流动的方向上，热量的传递只能通过流体内部的热传导。在过渡流和湍流状态 下，流体运动方向上除了热传导以外，还因为强烈的混合运动而产生热量交换， 使得对流换热过程大大强化。所以在换热设备中往往希望流体处于湍流状态。 ( 2 ) 流体物性参数的影响 流体种类不同，物理性质就不同，对于一种流体，温度不同，物理性质也会 发生变化，这些都会对换热过程产生影响。在对流换热过程中，流体内各处的温 度是不同的，由于流体的物理性质随温度而变化，自然各处的物性参数也不同。 因此，在工程计算中确定物性的温度是一个关键的问题。 ( 3 ) 换热表面的形状、尺寸和位置的影响 换热表面的几何形状不同或放置位置不同，将会产生不同类别的流动，它们 的换热规律也必然是不一样的。因此，在讨论对流换热问题时，应针对换热壁面 的几何形状和布置情况作具体分析。 1 3 2 边界层分析 大量试验研究表明，对流换热的热阻主要集中在边界层【4 4 1 ，在这里流体的流 速和温度沿壁面法线方向急剧变化，边界层分析揭示了对流换热过程的本质，并 为强化传热提供了解决思路。 ( 1 ) 流动边界层 当流体流过固体壁面时，由于粘性的作用，流体运动时与固体壁面产生了剪 应力，以至靠近壁面的流体流动速度减低而形成边界层，紧贴壁面流体的流速将 减到零。这层不流动的流体必然又会阻碍临近流体的流动，如此一层一层地影响 邻近的流体。在厚度为6 的薄层内，流速从壁面上的零迅速增加到接近于流体的 主流速度，即不受壁面影响的远处流体流速。这一薄层称为流动边界层或速度 4 硕士学位论文 边界层。这样一来流场就可以分为两个区域：边界层区和主流区。在主流区，可 认为流体的流速不再发生变化，即边界层外各处的流速均为u m ；在边界层内，流 体的流速从零急剧地增加到主流速度。当边界层发展到一定厚度时，由于粘性力 的削弱不足以抑制流体的扰动因素，使层流边界层变得不稳定而发展成为湍流边 界层。在层流区域向湍流区域转变时，还存在一个过渡流区。但是即使在湍流边 界层中，由于壁面与流体间的粘滞作用，在靠近壁面的极薄层中，流体仍然保持 层流状态，这一薄层称之为湍流边界层的层流底层，其厚度用6 表示。湍流边界 层里的速度变化主要集中在层流底层，参见图1 3 。 y _ v 西 u j 一4 u 一 i u 。 l - ， u x 一 c 层流底层 图1 3 流动边界层的分布 f i g 1 - 3d i s t r i b u t i o no f f l o wb o u n d a r yl a y e r ( 2 ) 热边界层 由流体质点宏观运动引起的热传递称为热对流。当流体内部温度分布不均匀 时必然发生热传导，因此流体的热对流总是伴随着热传导。通常，将流体流过固 体壁面( 流体温度和壁面温度不同) 时的传热过程称为对流传热。也就是说对流传 热是指流体与固体壁面间的传热过程，由于对流传热主要是借流体质点的移动和 混合来完成的，因此对流传热与流体的流动状况密切相关。 由于速度在壁面法线方向的变化出现了流动边界层，同样道理，当主流与壁 面之间有温度差时，由于温度在壁面法线方向的变化，将会产生热边界层，参见 图1 4 。对流换热过程的强弱与热边界层的厚度反的大小有着密切的关系，d 越小， 流体在壁面附近沿壁面法线方向的温度梯度就越大，因此传热量也就越大，亦即 换热系数越大。理论和试验均己证明，当流动边界层的厚度6 减小时，相对应的 第1 章绪论 热边界层的厚度滞会按一定的比例减小，一般说来流动边界层的厚度6 大于热边 界层的厚度引4 5 1 ，比例的大小只取决于流体的物性参数。显然，热边界层是进 行对流换热的主要区域，减小流动边界层的厚度对于强化对流换热过程具有十分 重要的作用。 流体在管内流动时，热边界层的发展过程也和流动边界层相似。流体进入管 口后，边界层开始沿管长而增厚；在距管入口一定距离处，于管子中心相汇合， 边界层厚度即等于管子半径。但是，温度分布与速度分布不同，当管长再增加时， 温度分布将逐渐变得更为平坦；当通过很长的管子后，温度梯度可能消失，此时 传热也就停止了。 七 七 u 十。_ 图1 - 4 速度边界层与温度边界层 f i g 1 - 4v e l o c i t yb o u n d a r yl a y e ra n dt e m p e r a t u r eb o u n d a r yl a y e r 1 3 3 强化传热的目的与任务 不同的设备对强化传热的具体要求也不同。归纳起来，应用强化传热技术是 为了达到以下的目的【4 6 】： ( 1 ) 减小换热设备的传热面积，以降低换热设备的体积与重量； ( 2 ) 提高现有换热设备的换热能力； ( 3 ) 使换热设备在较小的传热温差下工作； ( 4 ) 减小换热设备的阻力，以减小换热设备的动力消耗。 上述的目的和要求是相互制约的，不可能同时满足，因此，在采用强化传热 技术前，要首先明确主要的目的，以及为实现这一目的所能提供的条件。然后通 过分析比较，选择合适的强化传热技术。 6 硕士学位论文 由于传热设备的用途各不相同，型式众多，流体的种类、物性差别很大，传 热机理以及流速范围也有差异，因此，没有一种强化传热技术适合于任何场合。 所以强化传热的主要任务是，针对实际情况选用适合的强化传热方法，以满足工 业生产和经济要求，一般采用下列方法解决强化传热的技术问题： ( 1 ) 在给定工质温度、热负荷以及总流动阻力的条件下，先用简单的方法对 几种强化传热技术以使换热设备尺寸最小、重量最轻的角度进行比较； ( 2 ) 分析需要强化传热处的工质流动状态、热负荷分布特点以及温度场分布 情况，以确定有效的强化传热技术，使流动阻力为最小而传热系数最大； ( 3 ) 比较采用强化传热技术后的换热设备的制造工艺问题和安全运行问题。 按上述方法，最后可定出适用某一换热设备的最佳强化传热技术。 1 3 4 强化换热的途径 目前工业中使用的换热设备绝大部分为换热器，近些年来强化传热的研究课 题也主要集中在换热器上，下面重点讨论换热器强化传热问题。 根据传热学的基本公式【4 7 1q = 觑瓦。可知理论上强化传热有三条途径：提 高换热器的传热系数k ；加大换热器的换热面积彳；加大对数平均温差。 ( 1 ) 提高传热系数 要提高传热系数k ，首先要提高传热面两侧的对流传热系数，特别是改善热 阻大的一侧的换热状况。改善对流换热的措施有：提高流速；让流体横向冲刷传 热表面；设法消除死漩涡区；增强流体的扰动与混合；破坏层流边界层或阻止层 流底层的发展；改变换热表面的状况等。 传热的过程不同，采取的强化传热方式也不同。如对于无相变的单相流体的 对流换热，热阻主要在层流底层，强化传热过程应该设法减薄层流底层的厚度， 所以管内单相对流强化传热的主要思路是采用在管内表面上形成小的粗糙凸出 物，促进流体的扰动。 ( 2 ) 增大换热面积 增大换热面积有利于提高传热量。但是，增大传热面积也就要增加换热器的 成本。并且，随着热回收度增大，传热温差减小，增加相同的回收热量时，需要 增加数倍的传热面积。因此，通常是希望增加单位体积内的传热面积，以缩小换 热器的尺寸；或增大热阻大的一侧的传热面积，以提高换热效果。最常用的方法 是适当减小管径和采用翅片管、螺纹管、波纹管等。 7 第1 章绪论 ( 3 ) 提高传热平均温差 流体的进出口温度受生产工艺条件限制，一般不能随意改变。因此，提高传 热平均温差的主要措施是采用逆流布置。但是，对于高温换热设备，当受到材料 承受温度的限制时，不得不采用传热平均温差较低的顺流或顺逆流组合的布置。 所以，这种措施对强化传热的潜力有限，不是主要的途径。 上述三种方法理论上都可以强化传热，但是，加大换热面积和提高平均温差 都不是最佳途径，前者与换热器的结构关系较大，如果只考虑增大换热面积势必 会造成设备体积的庞大和成本的大幅度增加；后者与流体进出换热器的工况有 关，从热力学来分析，若选择高温差必然会使能耗大幅度增加，因此这两种措施 在工业实际上产中都不是主要方法。因而最理想的办法就是提高传热系数k 。 1 4 螺旋槽管的研究现状及发展动态 1 4 1 试验研究现状 最早对螺旋槽管进行研究的，可追溯至 j s u t h e r l a n d 4 8 1 ，他的研究认为p e = 1 0 为最佳结构。r a v i g u r u r a j a n e 4 9 5 0 1 等人研究了3 5 份试验报告，收集- 3 6 0 组螺旋型 表面强化管的数据，并加以整理和分类，编制了螺旋型表面强化管的数据库软件， 供研究者和换热器设计人员参考使用。s m i v a s a i l 【”】等人分别对螺旋槽管和螺旋 肋片管的积垢问题进行了研究，结果表明，积垢状态下的螺旋槽管传热性能仍优 于同状态下的光管。曾力丁【5 2 1 通过试验测定了螺旋槽管内的结垢情况，试验结果 显示螺旋槽管的污垢热阻约为光滑管的0 5 2 0 8 8 倍与光滑管相比，螺旋槽管具有 较低的污垢热阻。 针对螺旋槽管结构参数对传热和流动特征的影响，m o f f a t 5 3 和z i m p a r o w 5 4 - 5 7 分别对卧式冷凝器中的螺旋槽管进行了试验研究。m o f f a t 对1 1 种不同槽距和槽深 的螺旋槽管进行了试验，给出了管子的几何尺寸对传热和阻力的影响。同时，建 立了总传热系数、冷凝侧的传热系数的相关准则方程。z i m p a r o w i 9 l l j 定了1 1 种不同 结构参数螺旋槽管的传热性能和压降损失，得到管内外侧的传热系数和总传热系 数。通过同光管比较，结果表明，螺旋槽管总传热系数是光管的2 倍，但压降损 失却达到了1 0 倍。这也表明，螺旋槽管内的流体流动复杂，结构参数对试验结果 有很大影响。 a l y 5 8 1 和王晓璐【5 明都对螺旋槽管的冷凝理论进行了分析，认为螺旋槽管管外 硕士学位论文 冷凝过程主要是由表面张力和重力支配。管外水平段上凝液在表面张力作用下被 拉向凹槽底部，则水平凝液量减少，液膜减薄，凝液在槽中受重力作用迅速被排 掉。 吴惠英、帅志吲6 0 - 6 3 1 通过对不同槽深和螺距的5 根螺旋槽铜管的冷凝试验研 究，拟合得到凝结条件下水平螺旋槽管管内对流换热准则关联式 n u 。= 0 3 6 3 r e n 6p r n 4 ( 尸z ) m 2 9 ( 办z ) n 1 0 3 管外蒸汽凝结换热准则方程 c 。= 0 9 9 7 f l o 3 8 2r e 7 3 1p c j 2 9 ( g a 1 0 8 ) 1 。0 3 7 ( 办4 ) n 4 5 7 ( p 4 ) m 1 2 适用范围：0 4 5 5 嬲0 9 0 9 ，0 0 1 8 j i 2 肠0 0 4 5 ，i 沁= ( 2 8 ) 1 0 4 。但是没有对 槽半径对其性能影响作研究，试验管子数量不足。 1 9 7 6 年，吉富英明删等用2 6 根s 管( 单头，e d = 0 0 3 2 3 0 1 3 9 ，p e - - 4 2 3 1 2 4 6 2 ) 做阻力试验，用3 6 根( 单头，e d = o 0 2 3 5 0 1 1 4 ，p e = 5 6 1 4 2 8 7 5 ) 做传热试验， 得到如下的关联式。 当2 0 0 0 i 沁5 0 0 0 0 ，e 2 5 m m 时 川3 愀e 虿p 厂 _ 当r e 5 0 0 0 0 ，e 2 5 m m 时 纠3 愀e 虿p 九盎厂 对于眨0 4 4 ，p s 0 6 4 0 8 r e - 0 1 6 的螺旋槽管 当1 2 0 0 5 5 r e _ 2 0 0 0 时，他推荐的管子结构的最佳参数p = 0 4 d i ；最佳槽深p ：当 9 第1 章绪论 2 0 0 0 5 r e s 8 0 0 0 时，0 0 4 d i _ e 3 0 0 0 0 时，e 0 0 4 d i 。这些结论和我国国内一些学者在对流传热方面所得到的 结论比较一致。 程俊国、冯骏【6 5 1 等人做了单头螺旋槽管进行气气换热的试验研究，得到以 下结论： 当i r e = ( 2 7 ) x 1 0 4 ；e d i 0 0 5 ；p d i 1 7 8 时 4 。厂= = 2 。6 乇e 。7 8 ( 专 1 5 5 ( 专 。8 5 当r e = ( 5 - 8 ) x 1 0 4 ；e d i 0 0 5 ；p d i = 0 3 7 - 2 2 2 时 4 。厂= = 2 2 之e 。8 ( 专 3 5 5 ( 专) 。7 他们的研究结果表明，p d i = o 5 o 7 5 ，e d i o 0 5 4 时螺旋槽管传热效果较好， 小螺距p 和小槽深p 比大螺距和大槽深的传热效果好。这次得到的结果比较简练， 而且雷诺数的上限增加不少。 k s y a j n i k t 删等对单头和多头螺旋槽在水中的传热进行了试验研究，并用r 函数和g 数对试验数据进行了整理，推荐了比较复杂的公式。计算了不同结构参 数螺旋槽的热力性能指标，指出：最佳参数的螺旋槽管的螺旋角接近9 0 0 ， h d i = o 0 3 8 3 和p e = 7 6 9 的单头螺旋槽管的热力性能指标最高。在同等功耗条件下， 当办+ ( 矿= ( h * r e o q 2 ) o 5 懈) 约为6 0 时，其换热量比光管高5 6 ，随着h + 的增大，其热 力性能指标则迅速减小。 e s m i t h b e r g 6 7 】等对管内螺旋肋和螺旋槽管同时在水中进行了试验，根据螺 旋角的数值，分三个区域用r 函数和g 函数对试验数据进行了整理，认为妒6 0 0 时，其 换热强化机理类似于横肋，选取h + 和p e 作为主要几何参数。在这个区域( 9 6 0 。) ， r 函数与g 函数的表达式为： 尺( ”p ) = 4 5 + 5 6 3 x 1 0 - 4 ( p ) 王”m 矿 g ( 办+ ，p r ) = 4 7 5 ( h + ) 。2 8p r 。5 7 1 0 硕士学位论文 当妒 4 5 0 时，可以认为壁面层流体流经螺旋形粗糙物所产生的旋转运动在换 热强化中起主要作用。r 函数整理为： r ( 办+ ，詈，9 ) = 5 。2 ( 办+ ) n 1 5 ( 9 ，4 5 ) 。0 1 6 ( p s i n c p e ) n l 文献删对单头和多头螺旋槽管在水、水一甘油( 5 0 ) 的混合物中进行了试验 研究。试验管的几何参数为p d i = o 0 1 2 0 0 3 0 ；眺= 1 2 9 4 4 8 ；，z = l 4 ；螺旋角够 = 6 5 。；雷诺数r e = 3 1 0 3 8 x 1 0 4 。试验数据按r 函数与g 函数进行了整理，得到 如下公式： r ( 厅+ ，p e ) = o 0 4 ( h + ) n 1 6 4 ( p 2 ? 4 ) 。0 3 3 g ( 乃+ ，p r