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                      提高換熱器的傳熱系數的方法

                      2023-01-17 15:05:18 點擊數:

                      1、改變流體的流動情況

                      (1)增加流速  

                      增加流速可改變流動狀態,并提高湍流脈動程度。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的措施之一。管內湍流時增加流速對增強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,在設計或實際使用中應權衡各種因素,選擇最佳流速或為流體輸送機械所允許的流速。

                      (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,所以對流換熱系數顯著增大。在用液體射流沖擊加熱面時,如熱流密度已高至足以產生沸騰,則就成為兩相射流沖擊換熱。實驗表明,此時不但可提高沸騰換熱系數,而且可使燒毀點推遲,顯著提高臨界熱流值。

                      (3)加插入物  

                      在管內安放或管外套裝如金屬絲、金屬螺旋圈環、盤狀構件、麻花鐵、翼形物等多種型式的插入物,可增強擾動、破壞流動邊界層而使傳熱增加。如用薄金屬條片扭轉而成的麻花鐵擾流子插入管內后,使流體形成一股強烈的旋轉流而增強換熱。插入時若能緊密接觸管壁,則尚能起到翅片的作用,擴展傳熱面。大量的試驗研究表明,加插入物對受迫對流換熱等有顯著增強的作用,但也會產生流動阻力增加、通道易堵塞與結垢等運行上的問題。在使用插入物時應沿管道的全段流程,以保持全流程上的強化傳熱。而且,在選擇插入物的形式時,應考慮到在小阻力下增強傳熱。

                      (4)加旋轉流動裝置  

                      旋轉流動的離心力作用將使流體產生二次環流,因而會強化傳熱。上述的某些插入物,如麻花鐵、金屬螺旋絲等,除其本身特點外,也都能產生旋轉流動。在此要提及的是一些專門產生旋轉流動的元件或裝置。例如,渦流發生器,它能使流體在一定壓力下以切線方向進入管內作劇烈的旋轉運動。研究表明,渦旋強化傳熱的程度與雷諾數有關。在一定的熱源溫度下,對流換熱系數隨著Re值而增加,且將達到某一個最大值然后下降。在應用上應控制實際的Re值接近于使對流換熱系數達最大時的臨界Re值,以充分利用旋轉流動的效果。除了流體轉動外,也有傳熱面轉動的情況,當管道繞不同軸線旋轉時利用其離心力、切應力、重力和浮力等所產生的二次環流可促使傳熱強化。管道旋轉對層流放熱的強化效果顯著,而湍流時效果不明顯。過冷沸騰與大空間沸騰的試驗表明,對于帶有螺旋斜面和切向槽渦流發生器的管道,可使沸騰換熱系數或臨界熱負荷得到提高。

                      (5)依靠外來能量作用    

                      大體上有三方面措施:

                      ①用機械或電的方法使傳熱表面或流體發生振動或通過攪拌使流體很好地混合。試驗表明,振動對于自由流動換熱、受迫流動換熱均有一定效果。對于沸騰換熱的效果不明顯,但在流體振動時對于旺盛的大空間沸騰,可使臨界熱負荷顯著提高。此法對大型換熱設備,在具體應用上有一定困難。利用機械傳動帶動攪拌器,通過流體的良好混合來強化對流換熱,效果顯著,故應用較廣,尤其對于高黏度的流體。

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

                      2、改交流體的物性

                      流體的物性對對流換熱系數有較大的影響,一般導熱系數與容積比熱較大的流體,其換熱系數也較大。例如冷卻設備中用水冷比風冷的體積可減小很多,因為空氣與壁面間的α值在1~60 W/(m2·℃)范圍內,而水與壁面間的α值在200~12000 W/(m2·℃)范圍內。改變流體某些性能的另一種方法是在流體內加入一些添加劑,這是近二三十年來形成的添加劑強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-液混合流動系統。

                      3、改交換熱表面情況

                      換熱表面的性質、形狀、大小都對對流換熱系數有很大影響,通??赏ㄟ^以下方法增強傳熱:

                      (1)增加壁面粗糙度  

                      增加壁面粗糙度不僅有利于管內受迫流動換熱,也有利于沸騰和凝結換熱及管外受迫流動換熱。同樣的粗糙度在不同流動及換熱條件下,對傳熱效果的影響是不同的。增加粗糙度也會帶來流動阻力的增加,在工業應用中應予考慮。

                      (2)改變換熱面形狀和大小    

                      為了增大對流換熱系數,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量直徑小于圓管,故換熱系數大。其他異形管除傳熱面積略有增大外,由于表面形狀的變化,流體在流動中將會不斷改變方向和速度,促使湍流程度加強,邊界層厚度減薄,故能加強傳熱。對低肋螺紋管,在凝結換熱時還具有減薄冷凝膜的作用,對于有機工質的冷凝(氟利昂等)用低肋螺紋管很有利。在低肋管基礎上發展而成的微細肋管,則更有利于氟利昂等低沸點有機介質的冷凝換熱,如日本的C管,我國的DAC管。對于垂直凝結時,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,故使凝結換熱強化。

                      (3)改進表面結構  

                      對金屬管進行燒結、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成多孔管,可以增強沸騰和凝結換熱。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

                      在凝結換熱時,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,有利于增大換熱系數。對于沸騰換熱,可根據受熱液體的物性,在加熱面上涂以適當厚度的某種物質的薄膜,使之成為非潤濕表面,則可明顯提高沸騰換熱系數。在太陽能利用中,在集熱器的吸熱表面上涂以選擇性物質薄層,以提高其對太陽光的吸收率和降低其發射率,達到增強對輻射熱的吸收和減少輻射熱損失的目的。

                      (文章轉自壓力容器人微信公眾號,如有侵權請聯系刪除)

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