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哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
新聞動態

強化傳熱技術進展

點擊:1723 日期:[ 2014-04-26 22:48:49 ]
一 概述 只要存在著溫度差,熱量就會自發地由高溫傳向低溫,因此熱傳遞過程是自然界中基本的物理過程之一。它廣泛見諸如動力、化工、冶金、航天、空調、制冷、機械、輕紡、建筑等部門。大至單機功率為130萬千瓦的汽輪發電機組,小至微電子器件的冷卻都與傳熱過程密切相關。 熱傳遞過程可以分為導熱、對流換熱和輻射換熱等三種基本方式,它們各自有不同的傳熱規律,實際中遇到的傳熱問題都常常是幾種傳熱方式同時起作用。實現熱量由冷流體傳給熱流體的設備就稱之為換熱器。它是上述工業部門廣泛應用的一種通用設備,以電廠為例,如果把鍋爐也看作換熱設備,則再加上冷凝器,除氧器,高、低壓加熱器等換熱設備,換熱器的投資約占整個電廠投資的70%。在煉油企業中四分之一的設備投資用于各種各樣的換熱器;換熱器的重量占設備總重量的20%,在制冷設備中蒸發器、冷凝器的重量也要占整個機組重量的30%~40%。 由于換熱器在工業部門中的重要性,因此從節能的角度出發,為了進一步減小換熱器的體積,減輕重量和金屬消耗,減少換熱器消耗的功率,并使換熱器能夠在較低溫差下工作,必須用各種辦法來增強換熱器內的傳熱。因此最近十幾年來,強化傳熱技術受到了工業界的廣泛重視,得到了十分迅速的發展,并且取得了顯著的經濟效果。如美國通用油品公司將該公司電廠汽輪機冷凝器中采用的普通銅管用單頭螺旋槽管代替,由于螺旋槽管強化傳熱的效果,使冷凝器的管子長度減少了44%,數目減少了15%,重量減輕了27%,總傳熱面積節約30%,投資節省了10萬美元。又如用我們研制的橢圓矩形翅片管代替圓形翅片管制作的空冷器,其傳熱系數可以提高30%,而空氣側的流動阻力可以降低50%。這種空冷器已在我國石化行業和火電廠得到廣泛應用,取得了明顯的經濟效益。 二 強化傳熱的原則 從傳熱學中我們知道換熱器中的傳熱量可用下式計算,即 Q=kFΔT                                          (1) 式中,k-傳熱系數[W/(m2·K)],F-傳熱面積[m2], ΔT-冷熱液體的平均溫差[K],從上式可以看出,欲增加傳熱量Q,可用增加k、F或ΔT來實現。下面我們對此分別加以討論。 1. 增加冷熱液體的平均溫差ΔT 在換熱器中冷熱液體的流動方式有四種,即順流、逆流、交叉流、混合流。在冷熱流體進出口溫度相同時,逆流的平均溫差ΔT最大,順流時ΔT最小,因此為增加傳熱量應盡可能采用逆流或接近于逆流的布置。 當然可以用增加冷熱流體進出口溫度的差別來增加ΔT。比如某一設備采用水冷卻時傳熱量達不到要求,則可采用氟里昂來進行冷卻,這時平均溫差ΔT就會顯著增加。但是在一般的工業設備中,冷熱流體的種類和溫度的選擇常常受到生產工藝過程的限制,不能隨意變動;而且這里還存在一個經濟性的問題,如許多工業部門經常采用飽和水蒸氣作加熱工質,當壓力為15.86×105Pa時,相應的飽和溫度為437K,若為了增加ΔT,采用更高溫度的飽和水蒸氣,則其飽和壓力亦相應提高,此時飽和溫度每增高2.5K,相應壓力就要上升105Pa。壓力增加后換熱器設備的壁厚必須增加,從而使設備龐大,笨重,金屬消耗量大大增加,雖然可采用礦物油,聯苯等作為加熱工質,但選擇的余地并不大。 綜上所述,用增加平均溫差ΔT的辦法來增加傳熱只能適用于個別情況。  2. 擴大換熱面積F 擴大換熱面積是常用的一種增強換熱量的有效方法,如采用小管徑。管徑越小,耐壓越高,而且在金屬重量相同的情況下,表面積也越大。采用各種形狀的肋片管來增加傳熱面積其效果就更佳了。這里應特別注意的是肋片(擴展表面)要加在換熱系數小的一側,否則會達不到增強傳熱的效果。 一些新型的緊湊式換熱器,如板式和板翅式換熱器,同管殼式換熱器相比,在單位體積內可布置的換熱面積多得多。如管殼式換熱器在1m3體積內僅能布置換熱面積150m2左右。而在板式換熱器中則可達1500 m2,板翅式換熱器中更可達5000 m2,因此在后兩種換熱器中其傳熱量要大得多。這就是它們在制冷、石油、化工、航天等部門得以廣泛應用的原因。當然緊湊式的板式結構對高溫、高壓工況就不宜應用。 對于高溫、高壓工況一般都采用簡單的擴展表面,如普通肋片管、銷釘管、鰭片管,雖然它們擴展的程度不如板式結構高,但效果仍然是顯著的。 采用擴展表面后,如果幾何參數選擇合適還可同時提高換熱器的傳熱系數,這樣增強傳熱的效果就更好了。值得注意的是,采用擴展面常會使流動阻力增加,金屬消耗增加,因此在應用時應進行技術經濟比較。 3. 提高傳熱系數k 提高傳熱系數k是強化傳熱的最重要的的途徑,且在換熱面積和平均溫差給定時,是增加換熱量的唯一途徑。當管壁較薄時從傳熱學中我們知道,傳熱系數k可用下式計算:                            (2) 式中,α1—熱液體和管壁之間的對流換熱系數,α2—冷流體和管壁之間的對流換熱系數,δ—管壁的厚度,λ—管壁的導熱系數。 一般講金屬壁很薄,導熱系數很大,δ/λ可以忽略。因此傳熱系數k可以近似寫成:k=α1α2/(α1+α2)。由此可知欲增加k,就必須增加α1和α2,但當α1和α2相差較大時,增加它們之中較小的一個最有效。 要想增加對流換熱系數,就需根據對流換熱的特點,采用不同的強化方法。我國學者過增元院士在研究對流換熱強化時,提出了著名的場協同理論。該理論指出要獲得高的對流換熱系數的主要途徑有: 1)提高流體速度場和溫度場的均勻性; 2)改變速度矢量和熱流矢量的夾角,使兩矢量的方向盡量一致; 根據上述理論,目前強化傳熱技術有兩類:一類是耗功強化傳熱技術,一類是無功強化傳熱技術。前者需要應用外部能量來達到強化傳熱的目的,如機械攪拌法、振動法、靜電場法等。后者不需外部能量,如表面特殊處理法、粗糙表面法、強化元件法、添加劑法等。 由于強化傳熱的方法很多,因此在應用強化傳熱技術時,我們應遵循以下原則: 1)首先應根據工程上的要求,確定強化傳熱的目的,如減小換熱器的體積和重量;提高現有換熱器的換熱量;減少換熱器的阻力,以降低換熱器的動力消耗等。因為目的不同,采用的方法也不同,與此同時確定技術上的具體要求。 2)根據各種強化方法的特點和上述要求,確定應采用哪一類的強化手段。 3)對擬采用的強化方法從制造工藝,安全運行,維修方便和技術經濟性等方面進行具體比較和計算,最后選定強化的具體技術措施。 只有按上述步驟才能使強化傳熱達到最佳的經濟效益。 三 單向介質管內對流換熱的強化 1 流體旋轉法 強化單向介質管內對流換熱的有效方法之一是使流體在管內產生旋轉運動,這時靠壁面的流體速度增加,加強了邊界層內流體的攪動。同時由于流體旋轉,使整個流動結構發生變化,邊界層內的流體和主流流體得以更好的混合。以上這些因素都使換熱的到了強化。 使流體旋轉的方法很多,在工藝上可行的有以下幾種: (1)管內插入物 使流體旋轉最簡單的方法是管內插入各種可使流體旋轉的插入物。如扭帶、靜態混合器、螺旋片等。 a. 扭帶 扭帶是一種最簡單而又使流體旋轉的旋流發生器。它是由薄金屬片(通常是鋁片)扭轉而成。扭帶的扭轉程度由每扭轉3600的長度H(稱為全節距)與管子內徑d之比來表征。H/d稱之為扭率。扭率不同強化傳熱的效果也不同,試驗表明,扭率為5左右效果最好。       b. 錯開扭帶 錯開扭帶是將扭帶剪成扭轉180°的短元件,互相錯開90°再點焊而成。 c. 靜態混合器 由一系列左、右扭轉180°的短元件,按照一個左旋、一個右旋的排列順序,互相錯開900再點焊而成。 d. 螺旋片 由寬度一定的薄金屬片在預先車制出的有一定深度和一定節距的螺旋槽的心軸上繞成。 e. 徑向混合器 用薄金屬片沖壓成具有一個圓錐形收縮環和一個圓錐形擴張環的元件,在環上開許多小孔,然后將這些元件按一定間距點焊在一根金屬絲上,插入管內就成為一個徑向混合器。 f. 金屬螺旋線圈 用細金屬絲繞制成三葉或四葉的螺旋線圈,插入管內,即可使流體旋轉。 除上述常用的插入物外,還有其它一些形狀的插入物。管內插入上述插入物后,由于流體的旋轉,使管內流體由層流向湍流過渡的臨界雷諾數Re降低,強化了管內換熱。當然由于流體的旋轉,流動阻力也會相應增加。實驗研究證明,在低Re數區采用插入物比高Re數區強化傳熱的效果更加顯著,這說明層流時采用插入物是很有效的。等功率和等流量的試驗研究表明,各種插入物的強化效果在層流區都隨Re的增加而增加。在相當于光管由層流向湍流過渡的臨界Re時達到最大值,然后又隨Re的增加而減小。在Re=500~10000的范圍內,在相同的流量下,靜態混合器可獲得較強的傳熱效果。因此當系統壓降有裕量的情況下,為強化傳熱可優先采用靜態混合器。在要求消耗功率一定的情況下,則可選用螺旋片和扭帶,此時螺旋片還有節約材料的優點。 許多研究者提供了管內加插入物后計算流動阻力和傳熱的公式,這些公式大多是以實驗研究為基礎的。在選用這些公式時應注意這些公式的應用條件和范圍。同時值得注意的是,采用管內插入物后傳熱增加了,但流動阻力也隨之增加,因此通常在計算強化傳熱的同時,還應進行流動阻力的核算和經濟性的比較,才能獲得滿意的結果。 (2)螺旋槽管和螺旋內肋管 管內插入物的方法,其結構不夠牢靠,制造安裝工作量大,一般宜在增強現有換熱設備的傳熱能力上采用。 對新設計制造的換熱設備,可以采用螺旋槽管或螺旋內肋管來使流體旋轉。螺旋槽管可以用普通圓管滾壓加工而成,它有單頭和多頭之分。螺旋槽管的作用也是引起流體旋轉,使邊界層厚度減薄并在邊界層內產生擾動,從而使傳熱增強。 研究表明,在相同的Re及槽距、槽深的情況下,單頭螺旋和三頭螺旋相比,強化傳熱的效果差別不大,但流動阻力卻減小很多,因此實際上多采用單頭螺旋槽管。 采用螺旋內肋管,一方面可使流體旋轉,另一方面內肋片又加大了管內換熱面積,有利于增強傳熱或降低壁溫。雖然其加工比較復雜,但仍是一種理想的強化傳熱管。 2. 改變流道截面形狀 1)層流工況和過渡工況 流動截面形狀對換熱和阻力有很大的影響,特別是對層流工況而言。試驗證明,當管道長度較長及雷諾數Re較小時,換熱的Nu數實際上與雷諾數Re數無關。表1列出了各種不同截面的流道中最小的Nu數及阻力系數ξ的值。 表1   層流時不同截面形狀的Nu數 從表1中可以看出,合適高度比的矩形截面的換熱比三角形截面和圓形截面要高得多,以鍋爐中的回轉式空氣預熱器為例,由波紋板和平板可組成不同形狀的流道,如三角形和近似矩形。計算表明在傳遞相同的熱量時,三角形流道將比矩形流道的換熱器長18%,而流動阻力矩形流道比三角形流道要低30%。 對一般圓管和矩形截面而言,在管道中溫度條件相同時,采用矩形管道也能增加換熱系數,但與此同時流動阻力會急劇增加。 在由層流向湍流過渡的過渡區中管道截面形狀對換熱也有較大的影響。例如在具有槽形截面通道的板式換熱器中改用波紋板可以顯著提高換熱系數。 2)湍流工況 a. 橫槽紋管 湍流工況時為改變管子的流道截面情況,應用最廣的是所謂橫槽紋管。它是由普通圓管滾軋而成。流體流過橫槽紋管會形成漩渦和強烈的擾動,從而強化了傳熱。強化的效果取決于節距p和橫槽紋的突出高度h之比。實際應用中p/h 10。與前述的螺旋槽管相比,由于橫槽紋管的漩渦主要在管壁處形成,對流體主流的影響較小,所以其流動阻力比相同節距與槽深的螺旋管小。 譚盈科等對p/d=0.5, h/d=0.03 的橫槽紋管的測定表明,當工質為空氣時,Re=3.4×104。橫槽紋管可比普通光管的換熱系數提高1.7倍,阻力增加2.2倍;如工質為水,Re=4000,換熱系數可提高1.4倍,阻力增加1.7倍。當流體縱向沖刷環形槽道時,為了強化傳熱可在管內采用橫槽紋管,這樣內外流體都能得到強化。 b. 擴張—收縮管 流體沿流動方向依次交替流過收縮段和擴張段。流體在擴張段中產生強烈的漩渦被流體帶入收縮段時得到了有效的利用,且收縮段內流速增高會使流體層流底層變薄,這些都有利于增強傳熱。 一般擴縮管中擴張段和收縮段的角度應使流體產生不穩定的分離現象,從而有利于傳熱,而流動阻力卻增加不多。擴縮管是一種很有前途的強化傳熱管,特別是對污染的流體,擴縮管不易產生堵塞現象。 對于非圓形槽道亦可利用擴縮管的原理使流道擴縮,如在兩塊平板間加入兩塊帶鋸齒表面的板,就可構成擴縮槽道。 四 單向介質管束外對流換熱的強化 單向介質橫向或縱向掠過管束是工程上常見的對流換熱過程,其最實用的強化方法是擴展換熱面和采用各種異形管。 1. 擴展換熱面 當換熱面一側為氣體,另一側為液體時,由于氣體側的換熱系數比液體側小得多(一般小10~50倍)。這時應用擴展換熱面的方法來提高傳熱系數是最有效的辦法。為了使換熱器更加緊湊和進一步提高氣側的換熱,現在各種異性擴展換熱面得以迅速發展,它們可使氣側的換熱系數較普通擴展面再提高0.5~1.5倍。 (1)平行板肋換熱器中各種異性擴展換熱面 平行板肋換熱器中的異性擴展換熱面發展最快,應用也最廣。他們是各種普通擴展面(如矩形、三角形)的變形,其種類繁多,形狀各異。最常用的有波形、叉排短肋形、銷釘形、多孔形和百葉窗形。這些換熱面的肋片密度都很高,一般為每米300~500片。由于通常當量直徑小,氣體密度小,因此它們經常處于低Re數的范圍,即Re=500~1500,亦即處于層流狀態。它們的特點,或者是利用流道的特殊截面形狀來強化傳熱,如波形通道中產生的二次流;或者是使通道中流動的邊界層反復形成又反復破壞來強化換熱,叉排短肋形、銷釘形就是如此。下面分別對常用的異性擴展面加以討論。 a. 波形擴展換熱面 波形擴展換熱面能使氣體流過波形表面的凹面時形成漩渦,造成反方向的旋轉;而在凸面處又會形成局部的流體脫離,這兩種因素會使換熱得到強化。 b. 叉排短肋形擴展面 這種叉排短肋形擴展面是將通常的矩形長直肋變成短肋,并錯開排列,這樣在前一塊短肋上形成的層流邊界層在隨后的叉排肋處被破壞,并在其后形成漩渦,這一過程反復進行。由于邊界層開始形成時較?。ㄈ肟谛?,熱阻較小,因此換熱得到充分的強化。一般叉排短肋要比矩形直肋換熱系數高一倍,當然相應阻力也要增加,一般約增大2倍。 c. 銷釘形擴展表面 銷釘形擴展表面與叉排短肋類似,它使用銷釘來代替短肋,其強化換熱的機理也與短肋類似。 d. 多孔形擴展換熱面 這種換熱面是先在板上打許多孔,再將板彎成通道,當孔足夠多時,由于孔的擾動可以破壞板上的流動邊界層,從而強化傳熱。 e. 百葉窗形擴展換熱面 在板上沖許多百葉窗,再將板彎成通道,這些百葉窗的凸出物能破壞邊界層,從而增強傳熱的效果。 (2)圓管上的各種異形擴展換熱面 圓管上的異形擴展換熱面通常是在普通圓肋的基礎上形成的,如開槽肋片,開三角孔并彎邊的肋片,扇形肋片,繞圈形肋片等,它們的目的都是為了破壞流動邊界層從而強化傳熱。 肋片的形狀對換熱有很大的影響。我們研究過橢圓管上套圓形肋片、橢圓形肋片和矩形翅片(其四角上帶有繞流孔),結果發現矩形翅片效果最好,可使換熱系數較前者提高7%。 2. 采用異形管 為了強化管束傳熱,在工程應用上已越來越廣泛地采用異形管來代替圓管。如橢圓管、滴形管、透鏡管等。其中以扁管和橢圓管應用最廣。 以作者研究的橢圓矩形翅片管為例,與圓管相比,由于橢圓管的流動性好,流動阻力小,且在相同的管橫截面積下,橢圓管的傳熱周邊比圓管長;從布置上講在單位體積內可布置更多的管子。因此單位體積的傳熱量高。作者研制的TZ型橢圓矩形翅片管散熱器與SRZ型圓形圓翅片管散熱器相比,阻力可降低59%,傳熱系數可增加67%,單位體積的傳熱量可提高80%,性能明顯改進。 目前國內外大規模的風冷技術中廣泛應用的也是各種橢圓矩形翅片管。在國外直接空冷電廠中換熱面積常常達到幾十萬平方米。此時橢圓管的尺寸(長、短軸之比)和翅片的形狀、間距以及翅片與管子接觸的緊密程度對換熱性能有很重要的影響。隨著技術的發展,螺旋扁管、螺旋橢圓扁盤及交叉縮放橢圓管等也獲得越來越多的應用。 五 單相介質對流換熱的耗功強化技術 強化單相介質對流換熱,除上面介紹的普遍應用的無功方法外,針對一些特殊的換熱問題,也可采用耗功的強化方法。 1. 機械攪拌法 此法主要應用于強化容器中的對流換熱。容器中的單相介質對流換熱主要是自然對流,這時換熱系數低,溫度分布很不均勻,采用機械攪拌法可以得到很好的效果。  容器中的介質粘度較低時,通常采用小尺寸的機械攪拌器。攪拌器的直徑d一般為容器直徑D的1/4~1/2,攪拌葉片的高度,從底部算起約為液體總高度H的1/3。容器中為高粘度介質時,則應用比容器直徑略小的低速螺旋式或錨式攪拌器。在進行攪拌器計算時應區分容器中的介質是牛頓流體還是非牛頓流體,它們的計算方法是不同的。 2. 振動法 有兩種振動法,一種是使換熱面振動,一種是使流體脈動或振動,這兩種方法均可強化傳熱。 (1)換熱面的振動 對于自然對流,實驗證明,對靜止流體中的水平加熱圓柱體振動,當振動強度達到臨界值時,可以強化自然對流換熱系數。實驗還證明圓柱體垂直振動比水平振動效果好。在小振幅和高頻率時,振動可使換熱系數增加7~50% 對于強制對流,許多研究者證明,根據振動強度和振動系統的不同,換熱系數比不振時可增大20%~400%。值得注意的是,強制對流時換熱面的振動有時會造成局部地區的壓力降低到液體的飽和壓力,從而有產生汽蝕的危險。 (2)流體的振動 利用換熱面振動來強化傳熱,在工程實際應用上有許多困難,如換熱面有一定質量,實現振動很難;且振動還容易損壞設備,因此另一種方法是使流體振動。 對于自然對流,許多人研究了振動的聲場對換熱的影響,一般根據具體條件的不同,當聲強超過140分貝使可使換熱系數增加1~3倍。 值得注意的是,采用聲振動也有不少困難。實際應用中如有可能首先應用強制對流來代替自然對流,或用機械攪拌,這樣才能更有效果。 對于強制對流,由于強制對流換熱系數已經很高,采用聲振動時其效果并不十分顯著。除了聲振動外,其它的低頻脈動(如泵發生的脈動)也能起到類似強化傳熱的作用。 眾所周知,當流體橫掠單管或管束時,由于漩渦脫落,湍流抖振,流體彈性激振及聲共鳴等諸多原因,會引起管子產生振動。這種振動通常稱之為流體誘導振動,它常常是導致換熱器管子磨損、泄漏、斷裂的主要原因。因此在換熱器設計時,人們都盡量采用各種措施來避免流體的誘導振動。 能否利用上述誘導振動來強化傳熱呢?我國學者程林創新地提出并解決了這一問題。它設計了一種彈性盤管,該盤管有兩個自由端及兩個固定端,通過彈性盤管的曲率半徑、管徑、管壁厚及端部附加質量等參數的組合來得到一種最有利的固定頻率,同時,程林還設計了一種脈動流發生器,它將進入換熱器的水流分成兩股,其中一股通過一正置三角塊后,在下游方向就會產生不同強度的脈動流,該脈動流直接作用在彈性盤管的附加質量端,從而誘發彈性盤管發生周期性的振動。這種流體振動,換熱面也振動的強化傳熱新方法,幾乎不耗外功,卻能極大地提高換熱系數,根據這種原理設計的彈性盤管汽水加熱器,在流速很低的情況下,可使傳熱系數達到4000~5000W/(m2·℃),是普通管殼式換熱器的二倍?,F在這種換熱器已在供熱工程中得到了廣泛的應用。 3. 添加劑法 在流動液體中加入氣體或固體顆粒,在氣體中噴入液體或固體顆粒以強化傳熱是此法的特點。 有的研究者提出在上升的水流中注入氮氣泡,由于氣泡的擾動作用可使換熱系數提高50%。在油中加入呈懸浮狀態的聚苯乙烯小球,可是換熱系數提高40%。 在實際應用中,在氣體中噴入液體或固體顆粒是一種有前途的強化換熱的方法。如在汽車散熱器的冷卻空氣中噴入水或乙烯乙二醇后,由于液體在散熱片中形成薄的液膜,液膜吸熱蒸發以及蒸發時對邊界層的擾動都可以增加傳熱。 我們研究了豎夾層空間的自然對流,此時如果在豎夾層空間加入極少量的水,由于水在豎夾層空間一側沸騰蒸發,在另一側凝結,從而使換熱系數提高數倍。氣體中加入固體顆粒亦能強化換熱。Babcock公司在氣體中加入石墨顆粒后發現換熱系數可提高9倍?,F在沸騰床的迅速發展也與氣固混合流能強化傳熱有密切關系。 4. 抽壓法 抽壓法多用于高溫葉片的冷卻。此時冷卻介質通過抽吸或壓出的方法從葉片或管道的多孔壁流出,由于冷卻介質和受熱壁面的良好接觸能帶走大量熱量,并且冷卻介質在壁上形成的薄膜可把金屬表面和高溫工質隔開,從而對金屬起到了保護作用。此法在燃汽輪機葉片的冷卻中已得到了廣泛的應用。 除了上述方法外還有使用換熱面在靜止流體中旋轉的方法,利用靜電場強化換熱的方法,但它們的應用還十分有限。 在工程應用上,應盡可能地根據實際情況,同時采用多種強化傳熱的方法,以求獲得更好的效果。 六 沸騰換熱的強化 沸騰是一種普遍的相變現象,在工業上有廣泛的應用。沸騰換熱的特點是換熱系數很高,在以往的應用中人們認為已不必進行強化了,而把主要的注意力集中在單相介質對流換熱的強化上。但隨著工業的發展,特別是高熱負荷的出現,相變傳熱(沸騰和凝結)的強化日益受到重視并在工業上得到越來越多的應用。 沸騰換熱的強化主要從增多汽化核心和提高汽泡脫離頻率兩方面著手,具體方法有粗糙表面和對表面進行特殊處理,擴展表面,在沸騰液體中加添加劑等。下面介紹常用的強化沸騰換熱的方法。 1. 使表面粗糙和對表面進行特殊處理 粗糙表面可使汽化核心數目大大增加,因此和光滑表面相比其沸騰換熱強度可以提高許多倍。最簡單的粗糙表面的辦法是用砂紙打磨表面或者采用噴砂的方法。在使壁面粗糙度增加以強化沸騰換熱時,應注意存在一極限的粗糙度,超過此之后,換熱系數就不再隨粗糙度的增加而增加。此外增加粗糙度并不能提高沸騰的臨界熱負荷。 工程上為增強沸騰換熱應用最多的還是對表面進行特殊處理。特殊處理的目的是使表面形成許多理想的內凹穴,這些理想的內凹穴在低過熱度時就會形成穩定的汽化核心;且內凹穴的頸口半徑越大,形成氣泡所需的過熱度就越低。因此這些特殊處理過的表面能在低過熱度時形成大量的汽泡,從而大大地強化了泡狀沸騰過程。實驗證明,表面多孔管的沸騰換熱系數可提高2~10倍。此外臨界熱負荷也相應得到提高。在相同熱負荷下特殊處理過的表面的傳熱溫差也比普通表面低的多。     制造上述表面多孔管的方法很多,一種是在加熱面上覆蓋一層多孔覆蓋層;另一種是對換熱面進行機械加工以形成表面多孔管。 (1)帶金屬覆蓋層的表面多孔管 上世紀六十年代末在美國首先出現用燒結法制成的帶金屬覆蓋層的表面多孔管。除了燒結法外還可采用火焰噴涂法、電鍍法等。一般講燒結法的效果最好。作為覆蓋層的材料有銅、鋁、鋼、不銹鋼等。用燒結法制成的多孔管已在工業部門獲得廣泛的應用。這種多孔管一般可使沸騰換熱系數提高4~10倍,從而推遲膜態沸騰的發生。 (2)機械加工的表面多孔管 用機械加工方法可使換熱表面形成整齊的T型凹溝槽。這種機械加工的表面多孔管亦能大大強化沸騰換熱過程和提高臨界熱負荷值。對形狀和尺寸不同的凹溝槽,沸騰換熱系數可提高2~10倍。用機械加工的方法還可克服燒結法帶來的表面孔層不均的缺點,且多孔層也不易阻塞。 2. 采用擴展表面 用肋管代替光管可以增加沸騰換熱系數。這一方面是肋管與光管相比除具有較大的換熱面積外,還可以增加汽化核心;另外肋片和管子連接處受到液體潤濕作用較差,是良好的吸附氣體的場所;加之肋片與肋片之間的空間里的液體三面受熱,易于過熱。以上這些因素都促進了氣泡的生長,一般換熱系數可高10%左右。 對于管內強制沸騰換熱,通常還采用內肋管或內外肋管。這些內肋片不但強化了沸騰換熱過程,還強化了管內單相介質的對流換熱。因此在制冷和化工中應用很廣,其中應用的最多的是帶星形嵌入式的內肋管,一般換熱系數可提高50%左右。 3. 應用添加劑 在液體中加入氣體或另一種適當的液體亦可強化沸騰換熱。例如在水中加入合適的添加劑(如各類聚合物),有時可使沸騰換熱系數提高40%。值得注意的是,如液體和添加劑配合不當,反而會使換熱系數降低。 在液體中加入固體顆粒,當顆粒層的高度恰當時亦可強化沸騰換熱,有時沸騰換熱系數甚至可以比無顆粒層時高2~3倍。 4 .其它強化沸騰換熱的方法 前面介紹的強化單相介質對流換熱的流體旋轉法對于強化管內沸騰亦非常有效,這時可以在管內插入扭帶,螺旋片或螺旋線圈,亦可采用螺旋槽管或內螺紋管。它們不但能使換熱系數提高(如扭帶可提高10~15%,螺旋槽管可提高50%~200%),還可提高臨界熱負荷。 七 凝結換熱的強化    凝結是工業中普遍遇到的另一種相變換熱過程,一般認為凝結換熱系數很高,可以不必采用強化措施。但對氟里昂蒸汽或有機蒸汽而言,它們的凝結換熱系數比水蒸氣小的多。例如對氟里昂,其凝結換熱系數僅為其另一側水冷卻換熱系數的1/4~1/3。在這種情況下強化凝結換熱仍然是非常必要的。對空冷系統而言,由于管外側空氣的肋化系數非常之高,強化管內的水蒸氣凝結換熱也仍然是有利的。 1. 管外凝結換熱的強化 (1)冷卻表面的特殊處理 對冷卻表面的特殊處理,主要是為了在冷卻表面上產生珠狀凝結。珠狀凝結的換熱系數可比通常的膜狀凝結高5~10倍,由于水和有機液體能潤濕大部分的金屬壁面,所以應采用特殊的表面處理方法(化學覆蓋法、聚合物涂層法和電鍍法等),使冷凝液不能潤濕壁面,從而形成珠狀凝結。采用聚四氟乙烯涂層已獲得一些實際應用。在冷卻壁面上涂一層聚四氟乙烯,再經過熱處理后可使凝結換熱系數提高2~3倍,此時應注意聚四氟乙烯的老化和脫落。另外涂層不能厚,否則會增加壁的附加熱阻。 用電鍍法在表面涂一層貴金屬,如金、鉑、鈀等效果很好,缺點是價格昂貴。 (2)冷卻表面的粗糙化 粗糙表面可增加凝結液膜的湍流度,亦可強化凝結換熱。實驗證明,當粗糙高度為0.5mm時,水蒸氣的凝結換熱系數可提高90%。值得注意的是,當凝結液膜增厚到可將粗糙壁面淹沒時,粗糙度對增強凝結換熱不起作用。有時當液膜流速較低時,粗糙壁面還會滯留液膜,對換熱反而不利。 (3)采用擴展表面 在管外膜狀凝結中常常采用低肋管,低肋管不但增加換熱面積,而且由于冷凝流體的表面張力,肋片上形成的液膜較薄,因此其凝結換熱系數可比光管高75%~100%。 日本日立公司開發了一種肋呈鋸齒形的冷凝管,其肋高1.22mm,肋片密度每厘米上13.8片,錯齒凹處深度為了高的40%,凹槽寬度為肋間距的30%,這種鋸齒形肋片管可比普通低肋管的凝結換熱系數提高0.5~1.5倍。 此外會有一種銷釘形的外肋管,它的擴展面是一系列的銷釘,銷釘形肋片管的凝結效應和低肋管差不多,但可節約60%的材料。 對垂直管外的凝結,采用縱槽管的效果十分顯著,這是因為表面張力和重力的作用。頂部冷凝液會順槽迅速排走,使頂部區及上部液膜變得很薄。試驗表明,對某些有機蒸汽(如異丁烷)換熱系數可增大4倍,在垂直管上垂直設置金屬絲也可達到類似的效果。 值得注意的是對于易結垢的介質不宜采用低肋管等,因為其結垢難清除。 應用螺旋槽管和管外加螺旋線圈。螺旋槽管,管子內外壁均有螺紋槽,既可強化冷凝換熱,又可強化冷卻側的單相對流換熱,與光管相比其凝結強度可提高35~50%。在管外加螺旋線圈,由于表面張力使凝結液流到金屬螺旋線圈的底部而排出,上部及四周液膜變薄,從而凝結換熱系數有時甚至可提高2倍。 2. 管內凝結換熱的強化 (1)擴展表面法 采用內肋管是強化管內凝結的最有效的方法,試驗表明,其換熱系數比光管高20~40%。按光面計算則換熱系數可高1~2倍。 (2)采用流體旋轉法 采用插入扭帶,靜態混合器和螺旋槽管等流體旋轉法均可強化凝結換熱。如插入扭帶一般可使凝結換熱系數提高30%,但此時流動阻力也會大為增加。 值得注意的是,在強化凝結換熱之前,應首先保證凝結過程的正常進行。例如,排除不凝氣體的影響,順利地排除冷凝液等。 強化傳熱技術在動力、制冷、低溫、化工等部門的到了日益廣泛的應用。許多新的強化傳熱的方法正在不斷出現和應用于工業界。強化傳熱技術的進步和推廣,不但能節約大量的能源,而且能大大減少設備的重量和體積,減低金屬消耗量,是當前增產節能向深度發展的重要一環。
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