提高換熱器的傳熱系數(shù)的方法

2023-01-17 15:05:18 點(diǎn)擊數(shù)：

1、改變流體的流動(dòng)情況

(1)增加流速  

增加流速可改變流動(dòng)狀態(tài)，并提高湍流脈動(dòng)程度。如管殼式熱交換器中管程、殼程的分程就是加大流速、增加流程長度和擾動(dòng)的措施之一。管內(nèi)湍流時(shí)增加流速對(duì)增強(qiáng)傳熱能收到較顯著的效果，但又須注意增加流速也受到各種因素的限制。因此，在設(shè)計(jì)或?qū)嶋H使用中應(yīng)權(quán)衡各種因素，選擇最佳流速或?yàn)榱黧w輸送機(jī)械所允許的流速。

(2)射流沖擊  

這是使流體通過圓形或狹縫形噴嘴直接噴射到固體表面進(jìn)行冷卻或加熱的方法。由于流體直接沖擊固體壁面，流程短而邊界層薄，所以對(duì)流換熱系數(shù)顯著增大。在用液體射流沖擊加熱面時(shí)，如熱流密度已高至足以產(chǎn)生沸騰，則就成為兩相射流沖擊換熱。實(shí)驗(yàn)表明，此時(shí)不但可提高沸騰換熱系數(shù)，而且可使燒毀點(diǎn)推遲，顯著提高臨界熱流值。

(3)加插入物  

在管內(nèi)安放或管外套裝如金屬絲、金屬螺旋圈環(huán)、盤狀構(gòu)件、麻花鐵、翼形物等多種型式的插入物，可增強(qiáng)擾動(dòng)、破壞流動(dòng)邊界層而使傳熱增加。如用薄金屬條片扭轉(zhuǎn)而成的麻花鐵擾流子插入管內(nèi)后，使流體形成一股強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)流而增強(qiáng)換熱。插入時(shí)若能緊密接觸管壁，則尚能起到翅片的作用，擴(kuò)展傳熱面。大量的試驗(yàn)研究表明，加插入物對(duì)受迫對(duì)流換熱等有顯著增強(qiáng)的作用，但也會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)阻力增加、通道易堵塞與結(jié)垢等運(yùn)行上的問題。在使用插入物時(shí)應(yīng)沿管道的全段流程，以保持全流程上的強(qiáng)化傳熱。而且，在選擇插入物的形式時(shí)，應(yīng)考慮到在小阻力下增強(qiáng)傳熱。

(4)加旋轉(zhuǎn)流動(dòng)裝置  

旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的離心力作用將使流體產(chǎn)生二次環(huán)流，因而會(huì)強(qiáng)化傳熱。上述的某些插入物，如麻花鐵、金屬螺旋絲等，除其本身特點(diǎn)外，也都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。在此要提及的是一些專門產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的元件或裝置。例如，渦流發(fā)生器，它能使流體在一定壓力下以切線方向進(jìn)入管內(nèi)作劇烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。研究表明，渦旋強(qiáng)化傳熱的程度與雷諾數(shù)有關(guān)。在一定的熱源溫度下，對(duì)流換熱系數(shù)隨著Re值而增加，且將達(dá)到某一個(gè)最大值然后下降。在應(yīng)用上應(yīng)控制實(shí)際的Re值接近于使對(duì)流換熱系數(shù)達(dá)最大時(shí)的臨界Re值，以充分利用旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的效果。除了流體轉(zhuǎn)動(dòng)外，也有傳熱面轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，當(dāng)管道繞不同軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)利用其離心力、切應(yīng)力、重力和浮力等所產(chǎn)生的二次環(huán)流可促使傳熱強(qiáng)化。管道旋轉(zhuǎn)對(duì)層流放熱的強(qiáng)化效果顯著，而湍流時(shí)效果不明顯。過冷沸騰與大空間沸騰的試驗(yàn)表明，對(duì)于帶有螺旋斜面和切向槽渦流發(fā)生器的管道，可使沸騰換熱系數(shù)或臨界熱負(fù)荷得到提高。

(5)依靠外來能量作用    

大體上有三方面措施：

①用機(jī)械或電的方法使傳熱表面或流體發(fā)生振動(dòng)或通過攪拌使流體很好地混合。試驗(yàn)表明，振動(dòng)對(duì)于自由流動(dòng)換熱、受迫流動(dòng)換熱均有一定效果。對(duì)于沸騰換熱的效果不明顯，但在流體振動(dòng)時(shí)對(duì)于旺盛的大空間沸騰，可使臨界熱負(fù)荷顯著提高。此法對(duì)大型換熱設(shè)備，在具體應(yīng)用上有一定困難。利用機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)攪拌器，通過流體的良好混合來強(qiáng)化對(duì)流換熱，效果顯著，故應(yīng)用較廣，尤其對(duì)于高黏度的流體。

②對(duì)流體施加聲波或超聲波，使之交替地受到壓縮和膨脹，以增加脈動(dòng)而強(qiáng)化傳熱。綜合各研究者試驗(yàn)研究結(jié)果顯示出，對(duì)于液體或氣體，只有處于管內(nèi)層流或過渡流時(shí)，聲波作用才較明顯。對(duì)于大空間泡狀沸騰的換熱影響極微，而對(duì)于過渡沸騰或膜態(tài)沸騰的換熱改善較為顯著。對(duì)于凝結(jié)換熱及自由流動(dòng)換熱均有一定效果。在聲波強(qiáng)化措施的實(shí)用中，要注意解決如何更有效地將聲振動(dòng)或超聲振動(dòng)傳送至換熱設(shè)備內(nèi)部的問題。③電磁場(chǎng)作用。對(duì)于參與換熱的流體加以高電壓而形成一個(gè)非均勻的徑向電場(chǎng)，這樣的靜電場(chǎng)能引起傳熱面附近電介質(zhì)流體的混合作用，因而使對(duì)流換熱加強(qiáng)。試驗(yàn)表明對(duì)于自由流動(dòng)換熱、膜狀沸騰換熱、凝結(jié)換熱的強(qiáng)化效果均較顯著。如果在流體中摻入磁鐵粉，則即使在較大的Re數(shù)下，磁場(chǎng)也能對(duì)換熱起強(qiáng)化作用。如，在水或油中摻入磁鐵粉，在磁場(chǎng)的作用下，可使換熱系數(shù)提高50%以上。

2、改交流體的物性

流體的物性對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)有較大的影響，一般導(dǎo)熱系數(shù)與容積比熱較大的流體，其換熱系數(shù)也較大。例如冷卻設(shè)備中用水冷比風(fēng)冷的體積可減小很多，因?yàn)榭諝馀c壁面間的α值在1～60 W/(m2·℃)范圍內(nèi)，而水與壁面間的α值在200～12000 W/(m2·℃)范圍內(nèi)。改變流體某些性能的另一種方法是在流體內(nèi)加入一些添加劑，這是近二三十年來形成的添加劑強(qiáng)化傳熱研究的新課題。添加劑可以是固體或液體，它與換熱流體組合成氣-固、液-固、汽-液以及液-液混合流動(dòng)系統(tǒng)。

3、改交換熱表面情況

換熱表面的性質(zhì)、形狀、大小都對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)有很大影響，通常可通過以下方法增強(qiáng)傳熱：

(1)增加壁面粗糙度  

增加壁面粗糙度不僅有利于管內(nèi)受迫流動(dòng)換熱，也有利于沸騰和凝結(jié)換熱及管外受迫流動(dòng)換熱。同樣的粗糙度在不同流動(dòng)及換熱條件下，對(duì)傳熱效果的影響是不同的。增加粗糙度也會(huì)帶來流動(dòng)阻力的增加，在工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)予考慮。

(2)改變換熱面形狀和大小    

為了增大對(duì)流換熱系數(shù)，亦可采用各種異形管和表面開槽等，如橢圓管、螺旋管、波紋管、變截面管及縱槽管等。橢圓管在相同截面積下當(dāng)量直徑小于圓管，故換熱系數(shù)大。其他異形管除傳熱面積略有增大外，由于表面形狀的變化，流體在流動(dòng)中將會(huì)不斷改變方向和速度，促使湍流程度加強(qiáng)，邊界層厚度減薄，故能加強(qiáng)傳熱。對(duì)低肋螺紋管，在凝結(jié)換熱時(shí)還具有減薄冷凝膜的作用，對(duì)于有機(jī)工質(zhì)的冷凝（氟利昂等）用低肋螺紋管很有利。在低肋管基礎(chǔ)上發(fā)展而成的微細(xì)肋管，則更有利于氟利昂等低沸點(diǎn)有機(jī)介質(zhì)的冷凝換熱，如日本的C管，我國的DAC管。對(duì)于垂直凝結(jié)時(shí)，如使用縱槽管，則由于液體的表面張力把波峰處凝液拉入波谷，在波峰處形成極薄凝液膜，而波谷又排泄凝液，故使凝結(jié)換熱強(qiáng)化。

(3)改進(jìn)表面結(jié)構(gòu)  

對(duì)金屬管進(jìn)行燒結(jié)、電火花加工或切削，使之管表面形成一層很薄的多孔金屬層而構(gòu)成多孔管，可以增強(qiáng)沸騰和凝結(jié)換熱。如：用于沸騰換熱的美國的高熱流管，日本的E型管，德國的T型管，我國的DAE管等。此外還有，如在沸騰換熱液體中，把一塊多孔物體置于加熱表面上，靠通過這種多孔加熱面連續(xù)地移走蒸汽，即所謂“吸入”的辦法，因而使膜狀沸騰換熱得到改善。

(4)表面涂層

在凝結(jié)換熱時(shí)，可在換熱表面涂上一層表面張力小的材料，如聚四氟乙烯等以造成珠狀凝結(jié)，有利于增大換熱系數(shù)。對(duì)于沸騰換熱，可根據(jù)受熱液體的物性，在加熱面上涂以適當(dāng)厚度的某種物質(zhì)的薄膜，使之成為非潤濕表面，則可明顯提高沸騰換熱系數(shù)。在太陽能利用中，在集熱器的吸熱表面上涂以選擇性物質(zhì)薄層，以提高其對(duì)太陽光的吸收率和降低其發(fā)射率，達(dá)到增強(qiáng)對(duì)輻射熱的吸收和減少輻射熱損失的目的。

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