第5章管內強化傳熱學

1、中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13第五章 管內壁面擾流強化傳熱 管內粗糙元、擾流子、管內翅片等管內粗糙元、擾流子、管內翅片等 處理表面：鑄造、熱軋、冷作、燒結金屬絲網、機處理表面：鑄造、熱軋、冷作、燒結金屬絲網、機械加工、電化學腐蝕等方法形成多孔表面、或鋸齒械加工、電化學腐蝕等方法形成多孔表面、或鋸齒形表面。形表面。5.1壁面擾流強化傳熱壁面擾流強化傳熱機理機理 管內湍流熱流密度管內湍流熱流密度yTcq)-(hp 在近壁部分，厚度為在近壁部分，厚度為0.05R范圍內的范圍內的h平均值不到平均值不到其最大值的其最大值的10%，傳熱主要依靠分子導熱來

2、實現。，傳熱主要依靠分子導熱來實現。因此邊界層中的熱阻要占總熱阻的因此邊界層中的熱阻要占總熱阻的70%左右。如果左右。如果在傳熱壁面上設置擾流裝置以增加近壁處的在傳熱壁面上設置擾流裝置以增加近壁處的h值，值，就可大大降低這部分熱阻，從而使換熱系數有大幅就可大大降低這部分熱阻，從而使換熱系數有大幅度的提高。度的提高。中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13 對于湍流如果采用扭曲帶等插入物，對于湍流如果采用扭曲帶等插入物，由于主流部分由于主流部分h的平均值已經很高，的平均值已經很高，且中心部分的且中心部分的q值比壁面上的低得多，值比壁面上的低得多，因此主流

3、部分的溫度降的減小是很因此主流部分的溫度降的減小是很有限的。所以在湍流狀態(tài)下，應該有限的。所以在湍流狀態(tài)下，應該采用壁面擾流裝置，而不是管內插采用壁面擾流裝置，而不是管內插入物。入物。 Pr數較大的流體采用近壁擾流裝置數較大的流體采用近壁擾流裝置的收益較大。的收益較大。 壁面擾流裝置的種類眾多，但機理壁面擾流裝置的種類眾多，但機理大同小異，都是當流體經過這些擾大同小異，都是當流體經過這些擾流裝置時產生流動脫離區(qū)而形成強流裝置時產生流動脫離區(qū)而形成強度不同、大小不等的旋渦，增強了度不同、大小不等的旋渦，增強了近壁區(qū)的湍流度，從而提高液體與近壁區(qū)的湍流度，從而提高液體與壁面間的對流換熱系數。壁面間

4、的對流換熱系數。大渦周期性拋出流體，并從主流引入補充流體，構成肋間流體與主流之間的質量與能量交換粗糙肋節(jié)距足夠大時，肋的前后都形成一大一小旋渦，流體在2個脫離區(qū)之間與壁面接觸，是換熱最強烈區(qū)。中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13 如果粗糙肋的節(jié)距過如果粗糙肋的節(jié)距過大，流體經脫離區(qū)達大，流體經脫離區(qū)達到傳熱面后，由于沒到傳熱面后，由于沒有得到后面粗糙肋及有得到后面粗糙肋及時的繼續(xù)擾動，在傳時的繼續(xù)擾動，在傳熱面上將形成層流底熱面上將形成層流底層并逐步增厚，傳熱層并逐步增厚，傳熱效果降低；效果降低； 而而s/h5,流體經粗糙肋流體經粗糙肋時發(fā)生的旋渦

5、不能充時發(fā)生的旋渦不能充分發(fā)展，渦旋強度減分發(fā)展，渦旋強度減弱，難以考慮到增強弱，難以考慮到增強傳熱作用。傳熱作用。 最佳的最佳的s/h大體在大體在710之間。之間。中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13粗糙肋的最佳形狀及幾何參數螺旋肋與重復肋的傳熱性能接近，而前者加工更為方便。螺旋肋與重復肋的傳熱性能接近，而前者加工更為方便。對粗糙肋而言，它與管子軸線成對粗糙肋而言，它與管子軸線成5060度時的強化傳熱性能度時的強化傳熱性能指標最高。指標最高。在粗糙肋端部表面上有很細凹槽（二次粗糙元）時可使阻在粗糙肋端部表面上有很細凹槽（二次粗糙元）時可使阻力下降

6、力下降68%;粗糙肋寬度的增加將使流體的阻力及換熱強度下降，而阻粗糙肋寬度的增加將使流體的阻力及換熱強度下降，而阻力下降得更快些；力下降得更快些；粗糙肋端部沿流向作成下傾斜面，也能使流體經過粗糙肋粗糙肋端部沿流向作成下傾斜面，也能使流體經過粗糙肋時的阻力減小；時的阻力減小；粗糙肋端部及根部作成小圓弧形，可以改善粗糙面的傳熱粗糙肋端部及根部作成小圓弧形，可以改善粗糙面的傳熱性能；性能；當粗糙肋節(jié)距較大時當粗糙肋節(jié)距較大時(s/h10)，如果在肋間表面上加設溝槽，如果在肋間表面上加設溝槽，可以使傳熱性能得到進一步的提高?？梢允箓鳠嵝阅艿玫竭M一步的提高。1/300)/(uu/ffNN中國 南京能源與

7、環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13三維粗糙元與二維粗糙肋 通常，連續(xù)的肋或槽都屬于二維粗糙元，流體流過這類粗糙通常，連續(xù)的肋或槽都屬于二維粗糙元，流體流過這類粗糙面時，沿高度和流向的速度是變化的，形成二元流動。面時，沿高度和流向的速度是變化的，形成二元流動。 如果粗糙肋或槽沿橫向是斷開的，于是這些粗糙元就變成一如果粗糙肋或槽沿橫向是斷開的，于是這些粗糙元就變成一個個獨立的突起物或凹坑，流體經過時形成三元流動。個個獨立的突起物或凹坑，流體經過時形成三元流動。St與與Nu一樣也反映一樣也反映換熱系數換熱系數h的作用。的作用。uchSpt中國 南京能源與環(huán)境學院能源與

8、環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-135.2 碾軋槽管的傳熱性能與流動阻力 軋槽管是一種性能優(yōu)良且軋槽管是一種性能優(yōu)良且較容易加工的粗糙元形式。較容易加工的粗糙元形式。 從圓管外面按照設計要求從圓管外面按照設計要求碾軋出一定節(jié)距和深度的碾軋出一定節(jié)距和深度的橫槽或螺旋槽，在管子內橫槽或螺旋槽，在管子內壁就形成凸出的橫肋或螺壁就形成凸出的橫肋或螺旋肋。旋肋。 可同時對管內外兩側流體可同時對管內外兩側流體起到增強傳熱的作用。起到增強傳熱的作用。 管內形成的擾流元件是端管內形成的擾流元件是端部呈半圓形而根部為圓弧部呈半圓形而根部為圓弧形的連續(xù)肋，有助于減小形的連續(xù)肋，有助于減小阻力和提

9、高換熱系數。阻力和提高換熱系數。中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13橫槽管 內徑為內徑為13.8mm的黃銅管上碾的黃銅管上碾軋軋h/D=0.0250.11, s/h=945的的16種橫向軋槽管，以空種橫向軋槽管，以空氣做試驗。氣做試驗。 換熱系數隨換熱系數隨h/D的增大而變小，的增大而變小，但但s/h的最佳值增大。的最佳值增大。 h/D的最佳值大約在的最佳值大約在0.030.04。 更大的更大的h/D值能夠使換熱系數值能夠使換熱系數進一步提高，卻會引起過大進一步提高，卻會引起過大的阻力損失。的阻力損失。 管外半圓形凹槽的傳熱性能管外半圓形凹槽的傳熱

10、性能也可比光管高出也可比光管高出30%50%.中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13螺旋槽管 在在s/h7,Re104及及Pr 0.7情況下，情況下，h/D=0.037時達到時達到St數的第一個最大值。數的第一個最大值。 在在s/h7及及h/D不是很大時，不是很大時，換熱系數總是隨著換熱系數總是隨著h/D和和h/s的增大而加大；傳熱面的增大而加大；傳熱面積積F隨著參數隨著參數h2/(Ds)的增的增大而減小。大而減小。 應用螺旋槽管對于應用螺旋槽管對于Pr數高數高的流體得益較大，的流體得益較大， h2/(Ds) 0.6后趨于水平，可見過后趨于水平，可見

11、過分增大螺旋深度分增大螺旋深度h值是沒值是沒有意義的。有意義的。中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13 單程螺旋槽管的螺旋角單程螺旋槽管的螺旋角并不是獨立的，它是并不是獨立的，它是s/h和和h/D的函數。的函數。)/)(/(tantan1 -1 -DhhssD 螺旋角螺旋角可以用來反可以用來反映映s和和D的相對關系。的相對關系。值越大，值越大，( (越接近越接近橫槽管橫槽管) )則其傳熱性則其傳熱性能指標能指標 就越就越高。高。1/300)/(uu/NNw*uhuh無量綱厚度(粗糙雷諾數)：切應力速度：中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技

12、術強化傳熱技術2021-10-13 由于軋槽方法不同，材料性質的差異都影響螺旋由于軋槽方法不同，材料性質的差異都影響螺旋槽管的性能，而管內半圓形突起物的具體尺寸又槽管的性能，而管內半圓形突起物的具體尺寸又難以測量，任意選用他人的經驗公式往往會導致難以測量，任意選用他人的經驗公式往往會導致較大的誤差。較大的誤差。 對于一般二維或三維粗糙管，其流動阻力的增加對于一般二維或三維粗糙管，其流動阻力的增加率往往超過換熱系數增加幅度。但對于螺旋槽管，率往往超過換熱系數增加幅度。但對于螺旋槽管，在在h/D0.022時，可以實現換熱系數增加的幅度超時，可以實現換熱系數增加的幅度超過阻力系數。但其換熱強化比一般

13、不超過過阻力系數。但其換熱強化比一般不超過2。 軋槽管對于管內流體的膜態(tài)沸騰換熱可增加軋槽管對于管內流體的膜態(tài)沸騰換熱可增加38倍；倍；對于泡核沸騰換熱強化比為對于泡核沸騰換熱強化比為1.84倍；對于過冷沸倍；對于過冷沸騰只能增加騰只能增加3040%。中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13應用 冷凝器：同時增加管內冷卻水和管外凝結蒸汽對冷凝器：同時增加管內冷卻水和管外凝結蒸汽對管壁的換熱。對管內冷卻水的傳熱可增加管壁的換熱。對管內冷卻水的傳熱可增加2.53倍，倍，對管外蒸汽凝結換熱系數能提高對管外蒸汽凝結換熱系數能提高23.4倍。美國通倍。美國通用油

14、品公司采用螺旋槽管作為電廠冷凝器傳熱管，用油品公司采用螺旋槽管作為電廠冷凝器傳熱管，使冷凝器內管數減少使冷凝器內管數減少15%，長度縮短，長度縮短44%，節(jié)省，節(jié)省總傳熱面積總傳熱面積30%，設備投資費用下降近，設備投資費用下降近10萬美元。萬美元。 螺旋槽管用于火管鍋爐管內煙氣傳熱，使鍋爐鋼螺旋槽管用于火管鍋爐管內煙氣傳熱，使鍋爐鋼材消耗量下降一半。材消耗量下降一半。 螺旋槽管用于余熱鍋爐，換熱系數螺旋槽管用于余熱鍋爐，換熱系數1.5增加倍，阻增加倍，阻力增加力增加2倍。倍。 軋槽管外壁的凹槽還能減少管壁上的鹽分沉淀，軋槽管外壁的凹槽還能減少管壁上的鹽分沉淀，不易結垢。不易結垢。中國 南京能

15、源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-135.3 帶內翅片圓管內的對流換熱 由于管內空間有限，翅片高度和翅片數目都受到由于管內空間有限，翅片高度和翅片數目都受到很大限制，因此翅化率很大限制，因此翅化率Ff/Fs比外翅管要低得多。比外翅管要低得多。 管內翅片在存在不僅在一定程度上增加了傳熱面管內翅片在存在不僅在一定程度上增加了傳熱面積，而且也較大地改變了流體在管內的流動型式積，而且也較大地改變了流體在管內的流動型式和阻力分布。和阻力分布。 湍流運動時，需要比較相同泵功率下各種內翅管湍流運動時，需要比較相同泵功率下各種內翅管的換熱系數，作為評價準則。的換熱系數，作為評價

16、準則。 層流運動時，流體的換熱準則層流運動時，流體的換熱準則Nu與與Re無關。無關。 湍流運動時，直翅片的存在將使流體運動的湍流湍流運動時，直翅片的存在將使流體運動的湍流強度減弱，因而引起換熱系數的下降；而層流運強度減弱，因而引起換熱系數的下降；而層流運動時，不會產生這種情況。動時，不會產生這種情況。 流體在內翅管中流型及濕周的變化都與翅片有關，流體在內翅管中流型及濕周的變化都與翅片有關，即與翅片形狀、高度、數量、螺旋角等有關。即與翅片形狀、高度、數量、螺旋角等有關。中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13 內翅管內翅管(管內翅片為軸向或帶扭角管內翅片

17、為軸向或帶扭角)翅片數較多翅片數較多(8個個以上以上)、翅片高度較大的內翅管既適合層流流體，、翅片高度較大的內翅管既適合層流流體，也適合湍流流體的傳熱強化。也適合湍流流體的傳熱強化。 特點：特點： 使管子內表面的換熱面積增加； 高度較大的若干翅片的存在，將管內液化分成多個當量直徑較小的通道，有利于提高流體的換熱性能； 翅片的存在改變了管內流體的速度場，使管內出現2個高速流體中心，一個存在于以各翅端為外徑的中心區(qū)域，另一個存在于各相鄰翅片之間的翅間空間。兩者相互作用，使管內出現強化翅片換熱的二次流。 相對于其它強化管內傳熱的方法，內翅管的流阻較低。 強化比可達1.61.9。中國 南京能源與環(huán)境學

18、院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-135.4 內翅管與扭帶復合強化傳熱 層流：方案層流：方案1 1的換熱性能最優(yōu)，在相同功耗下，當流體加的換熱性能最優(yōu)，在相同功耗下，當流體加熱時換熱量是光管的熱時換熱量是光管的3 3倍；冷卻時為倍；冷卻時為4 4倍?？梢妰瘸峁芘c扭倍?？梢妰瘸峁芘c扭曲帶復合強化的效果十分明顯。曲帶復合強化的效果十分明顯。中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13湍流 工業(yè)鍋爐工業(yè)鍋爐的鑄鐵空的鑄鐵空氣預熱器，氣預熱器，內翅管與內翅管與扭曲帶復扭曲帶復合合中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2

19、021-10-13內翅管與1號扭帶復合最佳內翅管與1號扭帶復合比光管高1.41.7倍內翅管比光管高0.60.9倍中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-135.5螺旋槽管與扭曲帶的復合強化技術中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13層流區(qū)中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學

20、院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-135.6 螺旋槽管與進口旋流器的復合強化技術 進口旋流器所產生進口旋流器所產生的流體旋流強度在的流體旋流強度在旋流器出口處最強，旋流器出口處最強，然后逐漸衰減，換然后逐漸衰減，換熱系數和摩擦阻力熱系數和摩擦阻力沿管長也逐漸下降。沿管長也逐漸下降。適合短管。適合短管。中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13螺旋槽管的換熱系數可達光管值的螺旋槽管的換熱系數可達光管值的22.2倍，阻力系數可達倍，阻力系數可達3.54.5倍。倍。葉片扭

21、角較大的葉片扭角較大的2號旋流器與螺旋管復合時，換熱系數的數值最高，為光管號旋流器與螺旋管復合時，換熱系數的數值最高，為光管值的值的33.6倍，但阻力系數也最大，為光管值的倍，但阻力系數也最大，為光管值的89.6倍；倍；葉片扭角較小的葉片扭角較小的1號旋流器與螺旋管復合時，換熱系數的數值最小，為光管號旋流器與螺旋管復合時，換熱系數的數值最小，為光管值的值的2.63.3倍，但阻力系數也小很多，為光管值的倍，但阻力系數也小很多，為光管值的5.26.3倍。倍。綜合性能，綜合性能，1號旋流器與螺旋管復合方案的性能評價指標最高。號旋流器與螺旋管復合方案的性能評價指標最高。比較比較3號和號和4號可得，同向

22、復合傳熱效果和阻力系數都較低。綜合性能是旋號可得，同向復合傳熱效果和阻力系數都較低。綜合性能是旋向相反的較好。向相反的較好。交叉螺旋槽管的換熱系數和流動阻力都稍有提高，綜合性能大體相當。交叉螺旋槽管的換熱系數和流動阻力都稍有提高，綜合性能大體相當。中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-135.7(5.7(扭曲扭曲) )橢圓管換熱器的強化傳熱橢圓管換熱器的強化傳熱 薄壁橢圓管擰成節(jié)距為薄壁橢圓管擰成節(jié)距為s的扭曲管，兩端仍保持圓的扭曲管，兩端仍保持圓形。形。 相鄰傳熱管的扭曲線保持點接觸，起著管子間互相相鄰傳熱管的扭曲線保持點接觸，起著管子間互相支撐作用，

23、以減小或避免管子的振動，同時又減小支撐作用，以減小或避免管子的振動，同時又減小換熱器體積，增大管間流速。換熱器體積，增大管間流速。5.7.1流道形狀對流動和傳熱的影響 層流層流：直圓管內：直圓管內 等熱流：Nu=4.36 等壁溫：Nu=3.66 兩者的流動阻力：f=64/Re中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13 環(huán)形、偏心環(huán)形、矩形、三角形：不能用環(huán)形、偏心環(huán)形、矩形、三角形：不能用當量來統(tǒng)一不同截面流道換熱和阻力的計當量來統(tǒng)一不同截面流道換熱和阻力的計算公式。算公式。 湍流湍流：對于非圓形流道，工程上可以用當：對于非圓形流道，工程上可以用當量直徑

24、來作特征尺寸，采用圓管的計算公量直徑來作特征尺寸，采用圓管的計算公式即有足夠的精確度。但是對于三角形等式即有足夠的精確度。但是對于三角形等截面因其尖角處的截面因其尖角處的ReRe相當高時仍出現層流，相當高時仍出現層流，故誤差較大。要有專門公式。故誤差較大。要有專門公式。中國 南京能源與環(huán)境學院能源與環(huán)境學院強化傳熱技術強化傳熱技術2021-10-13 交叉梯形波帶華南理工大學發(fā)明的一種靜態(tài)插入物，交叉梯形波帶華南理工大學發(fā)明的一種靜態(tài)插入物，由二三條梯形波浪帶交叉組成，兩條波帶在垂直中由二三條梯形波浪帶交叉組成，兩條波帶在垂直中心線軸上交錯成彈性波帶，通過引導和置換流體產心線軸上交錯成彈性波帶，通過引導和置換流體產生擾流但不產生離心力，依靠波浪斜板使中間流體生擾流但不產生離心力，依靠波浪斜板使中間流體移置壁面，壁面流體移置中間，促使邊界層產生擾移置壁面，壁面流體移置中間，促使邊界層產生擾流，它同時具