第4章傳熱學(xué)無源強(qiáng)化

1、中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 第四章 對流換熱的無源強(qiáng)化 無源強(qiáng)化技術(shù)不需要附加設(shè)備和附加動力，無源強(qiáng)化技術(shù)不需要附加設(shè)備和附加動力， 工作可靠，應(yīng)用最多。工作可靠，應(yīng)用最多。 通常隨著對流換熱的增強(qiáng)，傳熱介質(zhì)的壓力通常隨著對流換熱的增強(qiáng)，傳熱介質(zhì)的壓力 損失和唧送功率也將迅速增加。損失和唧送功率也將迅速增加。 按照不同對象和要求選擇簡單、經(jīng)濟(jì)、高效按照不同對象和要求選擇簡單、經(jīng)濟(jì)、高效 的強(qiáng)化傳熱方法。的強(qiáng)化傳熱方法。 分為分為整體強(qiáng)化傳熱表面整體強(qiáng)化傳熱表面（用機(jī)械加工、電化（用機(jī)械加工、電化 學(xué)腐蝕或者焊接各種擾流元件或多孔體所構(gòu)

2、學(xué)腐蝕或者焊接各種擾流元件或多孔體所構(gòu) 成）和成）和插入物、旋流、添加物、射流插入物、旋流、添加物、射流等。等。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 4.1 管內(nèi)插入物對傳熱的增強(qiáng) 在大容器中使用的攪拌方法在管內(nèi)不易直接使在大容器中使用的攪拌方法在管內(nèi)不易直接使 用；用； 通常利用靜止的流體混合裝置，即利用各種管通常利用靜止的流體混合裝置，即利用各種管 內(nèi)插入物使流體產(chǎn)生徑向流動，從而加強(qiáng)流體內(nèi)插入物使流體產(chǎn)生徑向流動，從而加強(qiáng)流體 的混合、促進(jìn)管內(nèi)流體速度和溫度分布的均勻的混合、促進(jìn)管內(nèi)流體速度和溫度分布的均勻 并獲得管壁與流體間較高的對流

3、換熱系數(shù)。并獲得管壁與流體間較高的對流換熱系數(shù)。 由于流體二次流動和摩擦面積的增加，將使流由于流體二次流動和摩擦面積的增加，將使流 體經(jīng)過含插入物管子時的壓力損失和泵功率大體經(jīng)過含插入物管子時的壓力損失和泵功率大 大增加。大增加。 節(jié)省的機(jī)械功率可以補(bǔ)償泵功率，且沒有機(jī)械節(jié)省的機(jī)械功率可以補(bǔ)償泵功率，且沒有機(jī)械 轉(zhuǎn)動部分，工作非?？煽俊＾D(zhuǎn)動部分，工作非常可靠。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 混合元件：混合元件： 沿管長裝滿絲網(wǎng)多孔體或金屬螺旋刷； Sulzer靜止混合器； 扭曲葉片； Kenics靜態(tài)混合器； 扭曲帶 中國 南京 能源與

4、環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 4.1.1 含扭曲帶管內(nèi)的流動及傳熱特性 結(jié)構(gòu)最簡單結(jié)構(gòu)最簡單 S為節(jié)距，是扭轉(zhuǎn)為節(jié)距，是扭轉(zhuǎn) 180度的軸向長度，度的軸向長度， D與管內(nèi)徑相等。與管內(nèi)徑相等。 扭曲比扭曲比 y=S/D 扭曲比越小，扭轉(zhuǎn)扭曲比越小，扭轉(zhuǎn) 程度越高，流體在程度越高，流體在 管內(nèi)的壓力損失和管內(nèi)的壓力損失和 換熱系數(shù)也越大。換熱系數(shù)也越大。 S D 適合于層流運(yùn)動，如果是湍 流，流體主流部分的混和本 來就比較強(qiáng)烈，扭曲帶的增 強(qiáng)作用就低得多。而阻力損 失很大，不合算。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 202

5、1-6-23 （1 1）阻力系數(shù)）阻力系數(shù) 含扭曲帶圓管含扭曲帶圓管 的水力直徑的水力直徑 71. 1/ h DD 管內(nèi)放置管內(nèi)放置1 1根直條時根直條時 取取/D=0.05 61. 1 e e 623. 0 /2-2 e e 0 0 0 R R DR R 管內(nèi)含直條時與空管內(nèi)含直條時與空 管的速比平方為管的速比平方為 14. 1 4- 2 2 0 2 0 D D A A u u D D D DD U A D /2-2 4- 2-2D )-/44(4 2 h D D D D Du Du R R h /2-2 4 4 e e 0 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù)

6、 2021-6-23 壓降壓降 管內(nèi)含直條時的壓降與空管壓降之比管內(nèi)含直條時的壓降與空管壓降之比 管內(nèi)含扭曲帶時由于徑向二次流的存在管內(nèi)含扭曲帶時由于徑向二次流的存在 以及流動途徑的增長，阻力損失更大。以及流動途徑的增長，阻力損失更大。 有經(jīng)驗(yàn)公式計算。有經(jīng)驗(yàn)公式計算。 2 2 h u D L p 14. 314. 171. 161. 1 2 0h00 u u D D p p 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 （2 2）傳熱系數(shù)）傳熱系數(shù) Lopina-Bergles經(jīng)驗(yàn)公式計算含扭曲帶管內(nèi)湍流運(yùn)動經(jīng)驗(yàn)公式計算含扭曲帶管內(nèi)湍流運(yùn)動 流體被加

7、熱時流體被加熱時 松配合松配合F=1; 緊配合緊配合F=1.25 流體被冷卻時流體被冷卻時 可見對湍流強(qiáng)化很有限可見對湍流強(qiáng)化很有限 例如：松配合，扭曲比例如：松配合，扭曲比y=2和和3， 流體冷卻情況下，換熱強(qiáng)化比分別流體冷卻情況下，換熱強(qiáng)化比分別=1.33和和1.1 33. 04 . 0 8 . 0 2 rr12. 0r 2 1e023. 0uPGP y RFN 4 . 0 8 . 0 2 r 2 1e023. 0uP y RFN 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 對層流換熱作用比較顯著。對層流換熱作用比較顯著。 水和乙二醇乙烯為傳熱介

8、質(zhì)的含扭曲帶管內(nèi)層流換水和乙二醇乙烯為傳熱介質(zhì)的含扭曲帶管內(nèi)層流換 熱經(jīng)驗(yàn)公式為熱經(jīng)驗(yàn)公式為 35. 0622. 0 re/338. 0uPyRN 絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的偏 差在25%以內(nèi) Re/y10后，與空心管 相比，換熱系數(shù)可增 大210倍。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 扭曲帶置于管子進(jìn)口部分 扭曲帶可以只置于扭曲帶可以只置于 管子進(jìn)口部分。管子進(jìn)口部分。 流體離開扭曲帶后流體離開扭曲帶后 由于慣性仍然保持由于慣性仍然保持 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但強(qiáng)度 逐漸衰減。逐漸衰減。 換熱效果差一些，換熱效果差一些， 約降低約降低20%；但

9、阻；但阻 力損失也減小約力損失也減小約 85100%。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 扭曲帶在內(nèi)翅管中的復(fù)合傳熱 既用內(nèi)翅增加傳熱面積，又使既用內(nèi)翅增加傳熱面積，又使 扭曲帶增加對流換熱系數(shù)。扭曲帶增加對流換熱系數(shù)。 馬達(dá)油在含扭曲帶的內(nèi)翅管中馬達(dá)油在含扭曲帶的內(nèi)翅管中 換熱和阻力試驗(yàn)的結(jié)果。換熱和阻力試驗(yàn)的結(jié)果。 在等壁溫加熱或冷卻時，流體在等壁溫加熱或冷卻時，流體 的換熱經(jīng)驗(yàn)公式為：的換熱經(jīng)驗(yàn)公式為： 含扭曲帶的內(nèi)翅管比空心管優(yōu)。含扭曲帶的內(nèi)翅管比空心管優(yōu)。 當(dāng)馬達(dá)油被冷卻時，呈現(xiàn)層流當(dāng)馬達(dá)油被冷卻時，呈現(xiàn)層流 運(yùn)動的特性，阻力系數(shù)

10、與運(yùn)動的特性，阻力系數(shù)與Re成成 反比反比；被加熱時，近壁處流體；被加熱時，近壁處流體 粘度降低，阻力系數(shù)明顯下降，粘度降低，阻力系數(shù)明顯下降， 呈現(xiàn)某種湍流度的影響，即阻呈現(xiàn)某種湍流度的影響，即阻 力系數(shù)與力系數(shù)與Ren成反比成反比,n1。 相同泵功率下，流體被加熱時相同泵功率下，流體被加熱時 的換熱系數(shù)比冷卻時要高。的換熱系數(shù)比冷卻時要高。 11. 0- w 35. 0-4 . 00.56 )/(re222. 0uyPRN 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 扭曲帶置于粗糙管內(nèi)的傳熱特性 1.1. 光管扭光管扭 曲帶曲帶 2.2. 粗糙管

11、粗糙管 扭曲帶扭曲帶 3.3. 粗糙管粗糙管 4.4. 光管光管 1優(yōu)于2 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 4.1.2Kenics靜態(tài)混合器 扭曲帶做成一段左旋，扭曲帶做成一段左旋， 一段右旋，后段扭曲帶一段右旋，后段扭曲帶 的前緣與前段扭曲帶的的前緣與前段扭曲帶的 后緣錯位后緣錯位90度相焊接，度相焊接， 交替連接成串。扭曲比交替連接成串。扭曲比 y=1.52。 2-433. 0- 6 . 0-1/3567. 0 e207 re506. 0u yR yPRN 625. 0- 14. 0- w 1/3583. 0 e58 )/(re41.

12、 0u R PRN Genetti 公式: 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 圓管內(nèi)的層流換熱，圓管內(nèi)的層流換熱，Sieder-Tate公式：公式： 層流條件下，與空心管相比，相同泵功率層流條件下，與空心管相比，相同泵功率 下含靜態(tài)混合器流道內(nèi)的換熱強(qiáng)化比：下含靜態(tài)混合器流道內(nèi)的換熱強(qiáng)化比： 對于對于y=2, Re=2002000時時, Nu/Nu0值在等泵值在等泵 功率下為功率下為1.832.79。 4177. 0-567. 0 0 0 e933. 0 u u yR N N 1/3 0 r)e(4875. 0uPRN 中國 南京 能源與環(huán)

13、境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 算例 傳熱介質(zhì)：氟利昂傳熱介質(zhì)：氟利昂113 裝有的裝有的Kenics靜態(tài)混合器的垂直管靜態(tài)混合器的垂直管 Re=10005500, 實(shí)驗(yàn)管內(nèi)徑實(shí)驗(yàn)管內(nèi)徑12.7mm，y=1.5 6種布置方式：種布置方式： 沿加熱管全長裝滿50個混合元件 沿加熱管均勻布置25個混合元件，并用不銹鋼絲 相連，元件之間距離相同 沿加熱管上游段布置25個混合元件 沿加熱管上游段布置12個混合元件 沿加熱管上游段布置6個混合元件 沿加熱管上游段布置3個混合元件 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 4

14、.1.3自由旋流對換熱的強(qiáng)化 用進(jìn)口處的渦流發(fā)生器使流體在傳熱管中發(fā)生自由用進(jìn)口處的渦流發(fā)生器使流體在傳熱管中發(fā)生自由 旋流，從而增強(qiáng)傳熱過程。旋流，從而增強(qiáng)傳熱過程。 渦流強(qiáng)度沿著流程是逐漸降低。渦流強(qiáng)度沿著流程是逐漸降低。 渦旋強(qiáng)度用管內(nèi)旋流角動量渦旋強(qiáng)度用管內(nèi)旋流角動量M與軸向動量與軸向動量Mx之比之比 表示表示 R 0 2 R 0 2 x 0 d2 d2 rruR rruu RM M S 在自由旋流中，流 體的摩擦系數(shù)f可從 測得的總切應(yīng)力 求得 2 R 2 u f 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 Lc滑動氣室長度， 反映初始渦旋

15、強(qiáng)度 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 壁面渦流角壁面渦流角 0初始初始壁面渦流角壁面渦流角 97. 0- 0 e/483-expRDx 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 隨著壁面熱流密隨著壁面熱流密 度度q值的增加，值的增加， 等泵功率下的自等泵功率下的自 由渦旋換熱強(qiáng)度由渦旋換熱強(qiáng)度 比也隨之增加，比也隨之增加， 但是但是Nu / Nu0沿沿 管長的衰減率也管長的衰減率也 隨隨q值的增長而值的增長而 加快。加快。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2

16、021-6-23 4.1.4螺旋管內(nèi)的換熱規(guī)律 螺旋管換熱器因制造簡單并有較大的換熱系數(shù)，因螺旋管換熱器因制造簡單并有較大的換熱系數(shù)，因 此在工程上有廣泛應(yīng)用。此在工程上有廣泛應(yīng)用。 流體在螺旋管內(nèi)會形成流體在螺旋管內(nèi)會形成2 2個對稱的渦流。個對稱的渦流。 Dd 流體在螺旋管內(nèi)流動時受到流體在螺旋管內(nèi)流動時受到 離心力作用，流體從管子中離心力作用，流體從管子中 心部分由螺旋管內(nèi)側(cè)流向外心部分由螺旋管內(nèi)側(cè)流向外 側(cè)壁面，造成內(nèi)側(cè)低壓區(qū)，側(cè)壁面，造成內(nèi)側(cè)低壓區(qū)， 在壓差作用下流體從上部和在壓差作用下流體從上部和 下部壁面流回內(nèi)側(cè)。下部壁面流回內(nèi)側(cè)。 流體的這種二次流動與軸向流體的這種二次流動與軸

17、向 主流復(fù)合成螺旋式的前進(jìn)運(yùn)主流復(fù)合成螺旋式的前進(jìn)運(yùn) 動。動。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 螺旋套 管式換 熱器 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 Dean準(zhǔn)則準(zhǔn)則 是決定螺旋管內(nèi)流動相是決定螺旋管內(nèi)流動相 似性的唯一因素，其物似性的唯一因素，其物 理意義是流體作圓周運(yùn)理意義是流體作圓周運(yùn) 動時引起的離心力與粘動時引起的離心力與粘 性力之比。性力之比。 螺旋管內(nèi)流體溫度分布螺旋管內(nèi)流體溫度分布 螺旋管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)較螺旋管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)較 外側(cè)的低。外側(cè)的低。 臨界雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù)(適

18、用范圍適用范圍 0.0012d/D0.067) DdRDen 內(nèi)側(cè) 外側(cè) 32. 04 cr 102eDdR 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 層流層流運(yùn)動時傳熱強(qiáng)化比運(yùn)動時傳熱強(qiáng)化比 Nu/Nu0隨隨Dn數(shù)增加而增數(shù)增加而增 大；大； 而其它方法一般是隨而其它方法一般是隨Re 數(shù)減小而效果愈加顯著。數(shù)減小而效果愈加顯著。 內(nèi)側(cè) 外側(cè) 流體流體P Pr r的影響也與的影響也與其其 它方法不同，像空氣它方法不同，像空氣 這樣這樣P Pr r不大的流體在不大的流體在 高高Dn螺旋管中竟然會螺旋管中竟然會 有良好的增強(qiáng)傳熱作有良好的增強(qiáng)傳熱作 用

19、。用。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 螺旋管內(nèi)湍流運(yùn)動時的對流螺旋管內(nèi)湍流運(yùn)動時的對流 換熱強(qiáng)化比最大只有換熱強(qiáng)化比最大只有 1.11.26 在壁面高熱流密度時，液體在壁面高熱流密度時，液體 產(chǎn)生產(chǎn)生過冷沸騰過冷沸騰，離心力使蒸，離心力使蒸 汽泡集中到螺旋管內(nèi)側(cè)壁面汽泡集中到螺旋管內(nèi)側(cè)壁面 上，這將不利于汽泡脫離，上，這將不利于汽泡脫離， 使臨界熱流密度使臨界熱流密度qcr降低。質(zhì)降低。質(zhì) 量流速愈高、比值量流速愈高、比值d/D愈大，愈大， qcr也愈低。也愈低。 螺旋管內(nèi)的質(zhì)量沸騰的比直螺旋管內(nèi)的質(zhì)量沸騰的比直 管更高。且隨著管更高。

20、且隨著d/D值及質(zhì)值及質(zhì) 量流速的提高而增加。在量流速的提高而增加。在 G1000kg/(m2s)時，時， qcr 達(dá)到達(dá)到 最大值，然后隨著最大值，然后隨著G的增加的增加 而逐漸下降。而逐漸下降。 液態(tài)金屬除外 (其強(qiáng)化比很小) 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 4.1.5 添加物對流體傳熱的影響 添加物有在工藝過程中自然形成的，也有添加物有在工藝過程中自然形成的，也有 為了滿足某種需要而故意加入的。如催化為了滿足某種需要而故意加入的。如催化 劑、減阻劑。劑、減阻劑。 例子：例子： 流化床：固體粒子濃度極高的氣-固懸浮體，用 于工藝、生產(chǎn)

21、及煤粒燃燒。 氣體中噴入霧狀水滴以增強(qiáng)氣冷表面的傳熱效 應(yīng)； 液體中加入氣泡或某些溶劑以增強(qiáng)換熱； 液體中摻加高分子聚合物、纖維或固體微粒以 降低流動阻力等。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 傳熱增強(qiáng)幅度主要取決傳熱增強(qiáng)幅度主要取決 于傳熱流體能否在壁面于傳熱流體能否在壁面 上形成液膜。在較低壁上形成液膜。在較低壁 溫下混合流中的水份可溫下混合流中的水份可 能滲透、

22、凝聚到壁面上，能滲透、凝聚到壁面上， 取代氣體邊界層，構(gòu)成取代氣體邊界層，構(gòu)成 水膜內(nèi)邊界層，氣水邊水膜內(nèi)邊界層，氣水邊 界層在水膜外面。由于界層在水膜外面。由于 水膜傳熱能力比氣膜高水膜傳熱能力比氣膜高 得多，因此換熱系得多，因此換熱系數(shù)有數(shù)有 很大增加，最高可達(dá)很大增加，最高可達(dá)30 倍。倍。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 換熱強(qiáng)化主要換熱強(qiáng)化主要 集中在圓柱體集中在圓柱體 的前半部；的前半部； 后半部由于水后半部由于水 膜脫離及沒有膜脫離及沒有 水滴沖擊，換水滴沖擊，換 熱系數(shù)大為降熱系數(shù)大為降 低，并與水份低，并與水份 含量含量

23、M和位置和位置 關(guān)系不大。關(guān)系不大。 前緣 后緣 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 M水份含量水份含量 NuL平均值隨平均值隨Re數(shù)和數(shù)和M的的 增加而不斷增大。增加而不斷增大。 例：例： Re =3104, M =0.04, 查得查得NuL=67, 水在水在40時時 =0.633W/ (m K); 氣氣-水霧水霧 狀流換熱系數(shù)狀流換熱系數(shù)L=42.4/D. 對于單相氣體傳熱對于單相氣體傳熱 可得可得g=2.72/D,霧狀流比單相氣體傳熱提高霧狀流比單相氣體傳熱提高15倍。倍。 而從圓柱體前半部的換熱增強(qiáng)則可達(dá)幾十倍。而從圓柱體前半部的換熱

24、增強(qiáng)則可達(dá)幾十倍。 3/ 1618. 0 g g g re193. 0uPR D N 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 霧狀流對單相空氣霧狀流對單相空氣的的 換熱強(qiáng)化比換熱強(qiáng)化比/ 0的實(shí)的實(shí) 驗(yàn)結(jié)果：圖驗(yàn)結(jié)果：圖3-24 利用水氣霧狀流冷利用水氣霧狀流冷 卻半導(dǎo)體器件可比卻半導(dǎo)體器件可比 空氣在平行平板中的空氣在平行平板中的 換熱系數(shù)提高換熱系數(shù)提高20倍；倍； 在冷凍系統(tǒng)或凝汽器在冷凍系統(tǒng)或凝汽器 中利用水膜蒸發(fā)來增中利用水膜蒸發(fā)來增 強(qiáng)空氣側(cè)的傳熱，以強(qiáng)空氣側(cè)的傳熱，以 減小體積或冷卻系統(tǒng)減小體積或冷卻系統(tǒng) 功率消耗。功率消耗。 中國

25、 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 4.1.6流化床與埋管間的傳熱 流化床原來用于石油化工企業(yè)的各類反應(yīng)器中。流化床原來用于石油化工企業(yè)的各類反應(yīng)器中。 為了取走反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量或者輸入進(jìn)行反應(yīng)所為了取走反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量或者輸入進(jìn)行反應(yīng)所 需要的熱量，在流化床的固體粒層中埋入傳熱管需要的熱量，在流化床的固體粒層中埋入傳熱管 束。多年來有著流化床固體粒層與埋管間傳熱的束。多年來有著流化床固體粒層與埋管間傳熱的 研究和運(yùn)行已積累了大量的資料。研究和運(yùn)行已積累了大量的資料。 流化床燃煤鍋爐：由于煤粒在流化床中劇烈翻騰流化床燃煤鍋爐：由于煤粒在流化床中劇

26、烈翻騰 而引起流化床與埋設(shè)的鍋爐管之間的換熱系數(shù)猛而引起流化床與埋設(shè)的鍋爐管之間的換熱系數(shù)猛 升，因此傳熱管數(shù)目可以大為減少，從而縮小爐升，因此傳熱管數(shù)目可以大為減少，從而縮小爐 膛體積和提高爐溫，并能使用普通爐子無法燃燒膛體積和提高爐溫，并能使用普通爐子無法燃燒 的劣質(zhì)煤。的劣質(zhì)煤。 因摻入石灰石而消除燃煤中的含硫成份，改善環(huán)因摻入石灰石而消除燃煤中的含硫成份，改善環(huán) 境。境。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 當(dāng)氣流速度增加到能吹起固體顆粒而形成懸浮體當(dāng)氣流速度增加到能吹起固體顆粒而形成懸浮體 時就成為流化床。這里顆粒重量為流體作用于顆

27、時就成為流化床。這里顆粒重量為流體作用于顆 粒的壓差所平衡。粒的壓差所平衡。 流態(tài)化開始時的氣流速度稱為臨界流態(tài)化速度流態(tài)化開始時的氣流速度稱為臨界流態(tài)化速度umf； 此時流化床的孔隙率稱為流化床的起始孔隙率此時流化床的孔隙率稱為流化床的起始孔隙率mf。 在流化床中固體顆粒比氣體重幾千倍，氣流只有在流化床中固體顆粒比氣體重幾千倍，氣流只有 在較大壓差下才能吹動顆粒，需要有較高的在較大壓差下才能吹動顆粒，需要有較高的umf值。值。 在固體顆粒層中產(chǎn)生的氣泡猛烈擾動顆粒，使懸在固體顆粒層中產(chǎn)生的氣泡猛烈擾動顆粒，使懸 浮的粒子在容器內(nèi)劇烈翻滾，與垂直或水平管束浮的粒子在容器內(nèi)劇烈翻滾，與垂直或水平

28、管束 周期地發(fā)生短暫的接觸和脫離，從而導(dǎo)致流化床周期地發(fā)生短暫的接觸和脫離，從而導(dǎo)致流化床 內(nèi)固體顆粒與埋管間的強(qiáng)烈傳熱。內(nèi)固體顆粒與埋管間的強(qiáng)烈傳熱。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 流化床與管子間的換熱過程由三部分組成，流化床與管子間的換熱過程由三部分組成， 即粒子導(dǎo)熱、氣體換熱及輻射：即粒子導(dǎo)熱、氣體換熱及輻射： 運(yùn)動著的固體顆粒與埋管間的不穩(wěn)定導(dǎo)熱； 在直徑大于1mm的大顆粒床內(nèi)和在較高的流化 床壓力下，氣體的對流換熱起著重要的作用； 當(dāng)流化床溫度高于900K時必須考慮輻射換熱的 貢獻(xiàn)。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院

29、強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 鍋爐埋管與流化床之間的傳熱非常復(fù)雜。鍋爐埋管與流化床之間的傳熱非常復(fù)雜。 從流化床方面來說：從流化床方面來說： 煤粒的形狀與尺寸 顆粒與氣體的熱物理特性 氣體的壓力和流速 流化床的孔隙率 從鍋爐管方面來說：從鍋爐管方面來說： 管子的形狀與尺寸 是否有翅片及翅片的幾何尺寸 管子間的節(jié)距 管束的排列方式（垂直/水平，叉排/順排） 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 當(dāng)氣體速度低于當(dāng)氣體速度低于 umf時屬于固定床時屬于固定床 換熱，換熱系數(shù)換熱，換熱系數(shù) 隨速度提高的增隨速度提高的增 加率很?。患勇屎?/p>

30、??； 在氣體速度大于在氣體速度大于 umf后換熱系數(shù)隨后換熱系數(shù)隨 速度提高而迅速速度提高而迅速 增大，可達(dá)增大，可達(dá)12 個數(shù)量級；個數(shù)量級； 有最佳速度，之有最佳速度，之 后換熱系數(shù)后換熱系數(shù)隨速隨速 度提高而度提高而逐漸下逐漸下 降。降。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 水平管束的傳熱：水平管束的傳熱： 95認(rèn)為換熱系數(shù)主要受到水平節(jié)距認(rèn)為換熱系數(shù)主要受到水平節(jié)距Sh的影響的影響,垂直節(jié)距垂直節(jié)距 Sv2D時時,不論順排叉排，換熱系數(shù)與不論順排叉排，換熱系數(shù)與Sv無關(guān)。無關(guān)。 97認(rèn)為叉排換熱系數(shù)比順排大約高出認(rèn)為叉排換熱系數(shù)比順排

31、大約高出30%。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 4.1.7 射流沖擊 將液體通過圓形或狹縫形噴嘴噴射到固體表面進(jìn)將液體通過圓形或狹縫形噴嘴噴射到固體表面進(jìn) 行冷卻或加熱的方法稱為射流沖擊，這是一種極行冷卻或加熱的方法稱為射流沖擊，這是一種極 其有效的強(qiáng)化傳熱方法。其有效的強(qiáng)化傳熱方法。 由于流程短而邊界層很薄，因此換熱系數(shù)比通常由于流程短而邊界層很薄，因此換熱系數(shù)比通常 管內(nèi)換熱要高出幾倍以至一個數(shù)量級。管內(nèi)換熱要高出幾倍以至一個數(shù)量級。 用途：用途： 紡織品、紙張、木材等的干燥，玻璃的回火，鋼材的 冷卻及加熱，內(nèi)燃機(jī)活塞的油冷等； 航

32、空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的冷卻已廣泛采用沖擊冷卻技術(shù)； 計算機(jī)高熱負(fù)荷微電子元件的冷卻。 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 射流可以是單束的也可以排列成矩陣。射流可以是單束的也可以排列成矩陣。 單束射流分為圓形和狹縫形（或稱為平面射流）兩單束射流分為圓形和狹縫形（或稱為平面射流）兩 種。種。 單束射流流場單束射流流場 分為三部分：分為三部分： 自由射流 駐點(diǎn)流 壁面射流 射流工質(zhì)在與壁面 垂直方向上強(qiáng)烈沖 擊壁面，法向速度 變?yōu)榱?，因而具?最強(qiáng)的傳熱效率 工質(zhì)流速逐漸減小， 邊界層增厚。但也 可能會發(fā)生層流向 湍流過渡，使局部 傳熱強(qiáng)化。 中國

33、南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 傳熱系數(shù)的徑向傳熱系數(shù)的徑向 分布大致是鐘形，分布大致是鐘形， 但若射流噴嘴距但若射流噴嘴距 離壁面較近時，離壁面較近時， 局部傳熱率可能局部傳熱率可能 出現(xiàn)兩個峰值。出現(xiàn)兩個峰值。 H/D有最佳值有最佳值 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 中國 南京 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù) 2021-6-23 國際著名傳熱專家國際著名傳熱專家Bergles提出第三代強(qiáng)化傳熱技提出第三代強(qiáng)化傳熱技 術(shù)概念，指出現(xiàn)代強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)不僅術(shù)概

34、念，指出現(xiàn)代強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)不僅 僅是單一技術(shù)的使用，而是多種技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用。僅是單一技術(shù)的使用，而是多種技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用。 根據(jù)根據(jù)場協(xié)同理論場協(xié)同理論對射流沖擊的強(qiáng)化傳熱機(jī)理可作對射流沖擊的強(qiáng)化傳熱機(jī)理可作 出深入的解釋：出深入的解釋： 流動的流場方向與溫度梯度方向之間的協(xié)同程度，流動的流場方向與溫度梯度方向之間的協(xié)同程度， 對傳熱效率有重要作用和影響。由于射流方向與對傳熱效率有重要作用和影響。由于射流方向與 傳熱方向完全一致，因而射流沖擊具有最高的傳傳熱方向完全一致，因而射流沖擊具有最高的傳 熱效率。熱效率。 射流沖擊作為最有效的傳熱手段，不僅從實(shí)踐上射流沖擊作為最有效的傳熱手段，不僅從實(shí)踐上 而且從理論上也得到