强化传热原理课件

强化传热原理与技术

.第一章概论

一、强化传热的意义换热设备作为一种不同介质间热量交换的通用工艺设备，广泛地应用于能源、石油、化工、建筑、冶金、轻工等部门。据统计，在现代石油化工企业中，换热器的投资约占40%左右[1]，至于热力发电厂中的蒸发器、过热器、省煤器、空气预热器、凝汽器、高低压加热器等无一不是换热器。随着生产规模和能量消耗的日益增加，制造功率大、体积小、流动阻力低、高效紧凑的换热器将具有重要意义，而采用强化传热技术无疑是实现这一目标的最有效途径。

.强化传热被誉为“第二代传热技术”，是上世纪六十年代以后发展起来的一种改善传热性能的先进科学技术。四十多年来，强化传热的研究一直十分活跃。国内外众多的科研机构、高等院校和生产部门都进行了大量卓有成效的工作，迄今为止，单就工程意义重大的对流换热方面就每年发表了近千篇以上的论文和报告，研究领域几乎涉及到工业的所有部门。大批强化传热研究成果投入商品化运营，已取得了显著的经济效益和社会效益。.二、强化传热的目的

1、

减小传热面积，减小体积和重量2、

提高已有换热设备的换热能力3、

减小流动阻力，减少动力消耗4、

使换热器能在较低温差下工作.采用强化传热的技术须考虑问题：（1）尺寸、总阻力、换热能力三因素综合考虑，通过技术经济比较，一般为二项固定，另一项最优。（2）制造工艺、安全、运行等问题。.三、强化传热的途径热量传递有三种基本方式：导热对流换热辐射换热.实际换热器中的传热过程是一种复杂的复合传热，往往有两种或三种传热基本方式同时起作用由传热方程式可知，Q＝KF△T强化传热可从三种途径来实现，即提高传热系数，增加换热面积和增大平均传热温差。.1、增加平均传热温差以强化传热

增加平均传热温差的方法有两种（1）冷热流体的进口和出口温度一定时，利用不同的换热面布置来改变平均传热温差。（2）扩大冷、热流体进出口温度的差别以增大平均传热温差受工艺条件限制，其应用范围非常有限.2、扩大换热面积以强化传热

（1）采用小直径管子（2）采用各种肋片管、螺纹管等扩展表面换热面（肋片应加在换热器传热较差一侧，这在含有气体介质传热过程大量采用，并且取得很好的强化传热效果）（3）采用板式和板肋式等新型紧凑式换热器.一般采用扩展表面后，不仅增加换热面积，也同时提高了传热系数，但同时也会带来流动阻力的增加。采用扩展表面有时会受到各种条件的限制。.3、提高传热系数以强化传热

.增强对流换热系数α是关键原理（1）减薄温度边界层（2）增加边界层内的扰动强化对流换热的新概念，既流线和等温线的夹角可以强化传热。.l

强化单相介质对流换热（1）采用提高工质流速（2）使流体横向冲刷管束，消除流体流动时出现的旋涡死滞区（2）增加流体的扰动和混合、破坏流体边界层或层流底层的发展、改变换热面表面状况等。例如采用粗糙表面（螺纹管、螺旋槽管、波形板），扩展表面（翅片管、内肋管），旋涡发生器（扭带、螺旋线圈、导流叶片）l

强化有相变的沸腾传热过程增加换热面上的汽化核心及生成汽泡的频率。例如采用高效多孔换热表面可以将沸腾换热系数提高近十倍（表面渗层、表面喷涂、表面滚花、开槽表面）l

强化有相变的凝结传热过程实现珠状凝结（表面镀层）减薄凝结液膜厚度（内肋管，外肋管，扭带、螺旋线圈等）

.四、强化传热技术的分类

按强化手段分类，传热强化可分为被动式和主动式两大类（1）主动式（需要外部能量消耗），可分为换热面振动、流体振动、电场作用、注入或吸出、冲击射流等（2）被动式（不需要外部能量），主要有处理表面、粗糙表面、扩展表面、旋涡发生器，利用表面张力的结构和在流体中加添加剂等..五、强化传热技术的效应评价原则

综合评价的方法有三种类型：⑴相同的换热面积和泵功时，强化管与光管的换热量之比；⑵相同的换热量和泵功时，强化管与光管的换热面积之比；⑶相同的换热量和换热面积时，强化管与光管的泵功之比。.上述三种工作效应对比未考虑采用强化传热技术后管子等价格的增加和运行费用的变化．如已知管子成本费、换热器运行费等，则可用经济核算的方法进行评价．例如采用每台换热器全年的费用.六、传热研究方法理论分析求解

经典方法，求解微分方程组及定解条件，只能解决简单问题数值求解

利用数值分析和计算机，可解决较复杂问题，近些年发展迅速，但紊流模型不够完善。实验求解

传统方法，可解决复杂问题，可分为直接实验和模型实验。实验范围和结果适用条件受限.第二章强化对流换热理论基础1、对流换热的理论基础

（1）边界层概念速度边界层厚度δ和温度边界层厚度Δ之间的关系，取决于流体普朗特数Pr的数值。当Pr>1时，Δ＜δ；当Pr＜1时，Δ＞δ.当Re的数值达到3．5×1O5时，层流边界层开始向湍流边界层转变．临界雷诺数的数值还取决于流动工况、流经物体的几何状况和来流的湍流度．层流边界层与湍流边界层存在一过渡区

（2）流体流过平壁.

粘性层流层：热量是靠分子之间的导热来传递的。

湍流核心层：大量涡流和流体微团将混为一体，流体分子之间的导热作用可以忽略不计

缓冲层：分子的导热和微团的混合属同一数量级，在换热中同时起作用。

湍流边界层一般被划分为三层.管内边界层也有层流和湍流之分。在充分发展的层流边界层中，流体速度按抛物钱分布。通常，充分发展的湍流边界层也划分为三层，即粘性层流层、缓冲层和湍流核心层，各层流体的性质与流体流经平壁时相似．在充分发展的湍流边界层中，速度分布比较复杂。

（3）管内流体流动.（4）横向绕流圆管.（5）横向绕流管束顺列和叉列

..第三章管内单相流体对流换热的强化一、单相流体管内对流换热概述影响因素:自然对流、强制对流层流、紊流、过度区域（流动雷诺数）入口段、稳定段.管内换热强化的方法原则上分两大类：第一类为增加管子内侧的换热面积；第二类是使管内换热系数提高。但很多强化传热的方法，既增加了管内的换热面积，又提高了管内的换热系数。.二、内翅片管常见的管内翅片有纵向翅片和螺旋翅片两种管内翅片强化传热的原因：①增加了内侧的换热面积；②管内翅片把管子分成许多当量直径较小的流体通道；③翅片的合理组合，可在管子中心和翅片空间形成有利于换热的二次流；④对螺旋翅片，可使流体产生旋转，改变管内的流动工况，使换热明显提高。..强化换热的特点：管内翅片对管内层流和紊流均能起到强化作用；肋片系数越大，强化传热效应均增加；螺旋翅片的强化效果要好于直肋片；内翅片管的强化传热效应随Re的增加而减弱；将肋片开槽，做成分段翅片、弯曲翅片等可进一步强化翅片的传热。.使用场合：内翅片管主要适用于管内对流换热系数相对较小，流体流动雷诺数较小时的场合，它不适合于流体易阻塞，易结垢的场合。另外内翅片管的制造较困难，肋片系数也不会太高。.三、各种加工方法形成的表面粗糙管此类强化传热管主要有：管内环状粗糙物；管内横肋管；管内螺旋肋管；滚压横槽管；滚压螺旋槽管等。.强化传热原理用粗糙元来破坏湍流时粘性底层。同时也增加了边界层的不稳定性。在其它条件相同时，粗糙化表面能比光滑表面在较小的雷诺数下，发生层流向湍流的转变。表面粗糙元不断分离和再附来达到破坏近壁区层流底层的目的。.强化传热的特点：这对于Pr>1的流体尤为重要，因为随着Pr的增加，换热热阻更加集中在靠近壁面之处。这样，很小的粗糙度可大大减小热阻，但造成的滞后涡流区很小，不会使流动阻力增加很多。表面粗糙管的粗糙表面的特征几何参数的合理选择是强化传热效果好坏的一个重要因素。二维粗糙物的相对高度不能太大，这是因为太高分离区涡流上边界所产生的湍流脉动要经过较长距离才抵达壁面附近，反而减少了传递给壁面流体层的附加湍流脉动。最佳值可根据具体粗糙物的传热和流动特性，由热力性能分析确定。另一个重要参数是相对节距，可用粗糙物间距与高度之比来表示，综合现有资料，对于二维粗糙物，D/h＝10-15较好。.强化传热的效果对于管内横肋管，有的研究发现：在热力性能较好的结构参数下，相同功耗，换热量比光管提高40%~50%；对于滚压横槽管，在相同功耗下，换热量提高25%左右；对于螺旋槽管，在湍流工况下，螺旋槽管的较佳结构参数范围为h/Di＝0.035-0.045,D/h=11-14，在此参数范围内，换热系数约为光管的２倍，而阻力约为光管的4~6倍；在相同泵功和换热面积条件下，换热量比光管高30%~40%左右。.四、各种管内插入物常用的强化管内单相流体换热的管内插入物有：扭带、静态混合器、螺旋线圈、螺旋片及其它插入物（例如，各种旋流发生器）。.强化传热的原理由于插入物的结构不同，其强化换热的机理和强化的效果也有不同。1、大多插入物都能使管内流体发生旋转运动。流体发生旋转可使贴近壁面的流体速度增加，增加了流体流动的路径，加强了边界层流体的扰动以及边界层和主流流体的混合，从而使传热过程得以强化。2、对扭带来说，当扭带与管子紧密装配时，扭带还能起到内翅片强化传热的效应；3、对静态混合器来说，流体经过不同的扭转元件时，流体被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，减小了流体在径向的温度差和速度，从而强化了传热；。.4、对螺旋线圈和螺旋片来说，它们除了使管内部分流体产生旋转外，还在壁面造成边界层的分离，在分离区产生涡流，起到上述的管内粗糙物的强化传热效果。5、对于在管子入口放置旋流发生器的情况来说，流体产生衰减性旋流。对于短管的换热设备比较有效，其流动阻力要比扭带管的低.强化传热的效果及应用大多数插入物加工容易，成本低，而且便于对现有设备改造，其应用正日益受到重视。扭带是应用最多的插入物，在层流和湍流区均可使管内换热得到强化，在功耗相同时，换热量比光管提高20%~40%左右，由于扭带耗材多，阻力较大（特别是在湍流时），同时也限制了它的应用。静态混合器的强化传热效果好，但压损增加幅度大，在湍流工况下，换热系数比光管高3倍以上，而阻力损失却比光管大150~200倍以上，所以一般不适用于单纯强化传热的场合。螺旋片和螺旋线圈，它们的强化效果比螺旋槽管略差，但结构较复杂，因此应用较少。管端旋流发生器结构简单，阻力小，在一些特定场合得到较好的应用。.五、其它强化传热方式其它形式的管内强化传热的技术不断发展，例如管内流体加添加物、电场作用、复合强化传热、振动强化传热等。复合强化传热的形式主要有：带有扭带的表面粗糙管；带有扭带的肋片管；振动的外肋管等。将几项强化传热技术结合起来，可以使传热系数进一步提高。例如：将扭带和螺旋槽管复合，可取得阻力不超过光管10倍，而换热系数提高到光管3倍的强化效果。值得注意的是，并不是所有强化传热技术复合起来都能取得成功。.第四章管外单相流体对流换热的强化

一、概述单相流体管外传热的强化方法：1、采用扩展换热面暖气设备上的散热片、发电机气体冷却器中的肋片管、汽车上的散热器、大型锅炉中的肋片管以及其它工业换热器中应用的各式肋片管均属此例。2、在管子外壁上增加入工粗糙度。.二、采用扩展换热面管外扩展表面形状：翅片（纵向翅片）肋片（环形、径向、螺旋）钉状（锥形和柱形）扩展表面。管外扩展表面强化传热主要应用于管外换热强度远比管内小的场合。扩展表面可使强化侧的换热表面积扩展数倍，甚至20倍。..1、翅片扩展表面纵向翅片截面可分为矩形、三角形、梯形、抛物线形翅片。纵向翅片管外流体流动时，不存在停滞区或弱循环区，有利于防止灰尘沉积和防止灰分腐蚀。翅片扩展表面结构二翅、膜式和多翅扩展面。二翅和膜式翅片管，管外流体可横向冲刷管子，而多翅扩展面只适合于管外流体沿轴向流动。在纵向流动的翅片中，为了强化翅片的换热，应设法破坏稳定的粘性层流层，可将翅片开槽，作成分段翅片、弯曲翅片等。翅片经强化后，可提高对流换热系数50%~100%。.2.肋片扩展表面肋片扩展表面是应用较多的一种强化传热方式。根据肋片的高度不同可分为高肋和低肋管两种。高肋片管适用于管内为换热系数较高的液体而管外为气体横向冲刷管子的流动工况．低肋管用于管内、外工质均为液体的情况。。肋片的高度和节距是肋片管的两个很重要的参数，它们的数值选取应根据内外侧换热强化的大小、边界层的厚度，另外还要考虑制造和运行的一些因素，例如灰尘的沉积等。经验表明，当传热面两侧的换热系数之值相差3~5倍时，宜采用低肋片管（肋化系数小于5），当两侧相差8倍以上时，采用高肋片较好。肋片切割卷边等。.对于高肋片，由于肋片较高，肋间的相对深度太大时，流体可能难于深入到肋根区域，在管子基准面和肋根邻近的空间会出现停滞区，从而使换热系数降低。另外，处于尾流区的肋片因接触的流体缺乏与主流的强烈质交换，换热系数更低。因此，增加肋间空间流体的湍流度，使肋片表面的换热强化，是提高肋片换热面热力性能的重要措施。具体的方法有：肋片打孔或冲槽；非连续分段肋片；肋片切割；花瓣形肋片有时为了减少阻力，强化传热可采用椭圆肋片管束（如图所示）。实验证实在相同条件下，椭圆肋片管束可比圆管肋片管束传热系数提高15-20%，阻力下降18-60%。..3.钉状扩展表面此类扩展表面主要有柱形、锥形等钉状扩展表面。此类扩展表面可以为使非连续肋片的进一步发展。此种扩展表面上，所有钉状物受到流体横向绕流，当流体流经这些钉肋时，边界层不断被破坏和重新发展。所以此类扩展表面换热强度较高。但此类扩展表面应用较少。.三、采用外壁人工粗糙度强化流体纵向冲刷管束条件下管子外壁上所用周向肋片或凸出物一般高度都较小．否则流动阻力将过大。一般应用小直径金属丝成螺旋形绕在管外，或采用其它形状的低肋管文献表明，在管子外壁上采用周向人工粗糙度后，可使换热量增加1.2倍而阻力却增加不多。.流体横向冲刷管束条件下可采用外壁敷设金属丝网，增强管束换热效果。在阻力相同时，金属丝网管束的传热量比光管管束可提高30%。但该技术只限于在洁净气体中使用。.第五章沸腾换热的强化

一、概述液体汽化过程有两种形式：蒸发(液体表面,温度可高可低)沸腾(液体内部,温度达到沸点)沸腾分类

按沸腾空间分为池沸腾和管内流动沸腾按主流温度分饱和沸腾和过冷沸腾.二、沸腾的机理液体内部汽化形成汽泡热平衡和力平衡汽泡形成的条件：（1）液体过热（2）汽化核心（凹缝、裂穴最有可能成为汽化核心。一方面是由于凹缝处形成汽泡所需要的表面功最小，另一方面四缝中吸附的气体或残留的蒸汽容易成为新汽泡的胚胎。）.三、池沸腾强化传热方法

增加换热面上的汽化核心及提高汽泡脱离频率。1、采用粗糙表面用砂纸打磨或采用喷砂工艺，也可在表面上加工出粗糙槽纹。低热流密度时，增加表面的粗糙度强化效果是显著的．而在高热流密度时，粗糙度增加对换热的强化作用相对减弱。2、对表面进行特殊处理强化表面的加工方法很多，如机械加工法、火焰喷涂法、烧结法、电镀法、激光打眼法和电化学腐蚀法等。该法一般可使沸腾换热系数提高3～10倍。实验表明，这种表面多孔管能提高沸腾时的临界热流密度，从而推迟膜态沸腾的发生。.3、采用扩展表面通常采用的扩展表面是外肋管肋管与光管相比，除具有增大的换热面积外，还可以增加实际的汽化核心数；另外，液体对肋根部的润湿较差，是吸附气体的良好场所；三是肋间的液体三面受热，容易过热。以上这些因素，都有利于汽泡的形成和扩大，从而可以强化沸腾换热。.4、应用添加剂添加剂可以是另一种液体、气体，也可以是固体颗粒沸腾换热系数可提高1-4倍其它一些强化沸腾换热的方法，如静电场法、搅拌法等，这些方法因要消耗外功，实际应用的可能性很小。.四、管内沸腾换热强化对流对沸腾传热有较大影响汽泡表面发生变形换热可看作单相对流和沸腾换热的组合强化换热的方法：

1、表面进行特殊处理（采用烧结法使管子内壁形成一层多孔金属覆盖层），低流速有效2、扩展表面（内肋管），使流动沸腾的换热系数比光管高几倍。3、流体旋转法（各种管内插入物、螺旋槽管、螺旋内肋管等）例如：螺旋槽管沸腾换热系数可比光管提高1～2倍，插有扭带管子的临界热流密度可提高1倍左右4、电场、振动，添加剂等在探讨中.第六章凝结换热的强化

一、凝结方式：膜状凝结珠状凝结均匀凝结直接接触凝结混合蒸汽凝结珠状凝结的换热系数一般可比膜状凝结大10倍以上。但工程上遇到的大多是膜状凝结。.二、强化方法1、管外凝结强化对水平布置，多用低肋管、锯齿形外肋管、螺旋槽管；对立式布置主要采用纵槽管、螺旋槽管和管上附加金属丝如何减小液膜的厚度成为强化凝结换热的关键.2、管内凝结换热的强化对于垂直管，其管内凝结的强化方法和管外凝结是相同的。对水平管内凝结换热的强化通常采用类似于管内沸腾的强化方法，主要是采用内肋管和使管内流体旋转。内肋管有各种形式，用得较多的是螺旋内肋管和直内肋管。使流体旋转主要是采用插入扭带。静态棍合器虽能使凝结换热强化，但阻力损失太大。.3、实现珠状凝结实现珠状凝结的必要条件是凝结液体不能润湿表面。主要方法：（1）选用易珠化的表面材料，并将表面高度磨光（2）在表面上镀贵金属覆盖层（3）在表面上涂聚合物涂层（4）在蒸汽中加入助凝剂目前，珠状凝结在工业上的应用还有困难。其中最主要的是表面污染，使持久稳定的珠状凝结很难维持.第七章传热实验研究方法传热实验研究路线模型的建立：采用相似理论分析研究对象导出相似准则建立（模型）实验台测试实验结果分析准则关系式.相似准则的确定1、方程分析方法有两种：相似转换法；积分类比法要求已知微分方程和全部单值条件2、因次分析法α=f(l,w,p,μ,λ---)相似准则个数=独立物理量数-基本因次.传热学主要涉及微分方程1、连续性方程（质量守恒）2、动量方程（动量守恒）3、能量方程（能量守恒）4、对流换热方程5、固体热传导方程6、辐射换热方程.实验数据与处理结果的表示形式列表图线数学表达式拟合公式（最小二乘法）常用函数（多项式、指数、对数、幂函数等）.加热及热流测量一、对试件加热方法加热方式：稳态加热；非稳态加热（瞬态）加热形式：电加热；相变加热；单相流体加热；激光加热等（1）电加热测量准确、测量方便、设备简单直接加热（不锈钢，镍铬板）；间接加热（加热丝、加热膜、硅碳棒）直流加热（动态误差小）；交流加热（电网直供，调节方便）可方便实现恒热流加热.（2）相变加热或冷却相变：凝结（加热）；沸腾（冷却）可实现恒壁温边界条件（3）单相介质加热特别用于换热器实验中，更接近实际换热状况加热介质：高温水、高温油、燃气等（4）热损失处理保温；制作绝热壁；对称加