强化传热（精选八篇）
强化传热 篇1
换热器是一种应用领域较为广泛的热能转化设备, 其中管式换热器以其自身结构简单、生产工艺简单、处理能力强、适用性好等优点, 被广泛应用在机械、冶金、制冷等诸多领域当中。虽然其它类型的换热器在近年来不断涌现, 但仍未改变管式换热器在市场中的主导地位, 其市场份额仍在70%以上。鉴于此, 有必要对管式换热器的传热性能进行提高, 这不但能够为企业节约一定的资金, 而且还能降低能耗。
2 强化传热技术分析
人们对强化传热技术的关注与重视开始于19世纪末期, 然而限于当时的技术条件非常有限, 加之很多实验都无法应用到实际当中, 所以曾一度使强化换热技术的研究速度减缓, 可将这个时期的强化传热技术归为第一代技术;到了上个世纪70年代中后期, 全球性的石油危机逐步影响到了各个国家, 在这一背景下, 节能降耗成为各个国家研究的重点课题, 这也在一定程度上推动了强化传热技术的发展, 该阶段的强化传热技术获得了一定的进步和完善, 也由第一代技术向第二代技术过渡, 这一代技术的实质就是在消耗能量保持不变的前提下, 尽量多地为某些过程传递热量;强化传热技术由第二代向第三代的过渡是在上个世纪90年初期开始的, 并在当时取得了非常显著的成果, 直至近些年, 第四代强化传热技术被提出。根据相关专家的研究结果, 大体上可将强化技术分为两大类, 一类是被动型, 另一类是主动型, 前者的特点是无需借助外力, 而后者则需要在换热过程中额外增加能量。由于强化传热技术的不同, 从而使得与之相对应的传热机理也均不相同, 但无论何种强化传热技术, 其最终目的都是为了提高换热效率。从目前的具体应用情况看, 最为常用的方法就是提高换热器的总传热系数, 如对换热器管壁进行改进, 使壁面形成螺旋状, 借此来增加有效传热面积, 这样便可在换热量相等的情况下, 降低能耗。
现阶段, 冷凝强化换热管普遍应用于工业领域。本论文主要讨论比较管外冷凝工况相同的条件下螺旋管 (这种管型是在螺旋片强化套管的基础上经过改进后获得的, 其传热效果较好) 、脊型肋管、圆形肋管三种冷凝强化管的强化效果。三种管型如图2所示。
螺旋管主要是由光管为主要材料加工而成, 断面的形状近似于椭圆, 以一定的角度旋转。相比较于光管, 螺旋管以其扰流的形状, 可以对于通过的介质造成干扰, 不仅可以使得层流底层的厚度降低, 而且还能够使平均换热系数提高, 以实现强化传热的目的。
近些年来, 关于微肋管的传热功效, 已经有过很多研究。其强化效果主要体现为管内凝结和沸腾状况, 相比较于传热, 且阻力增加的幅度要小很多。微肋管具有强化传热作用, 主要在于其特殊的几何结构对于管周围的二次环流具有诱发的作用。
3 基于强化传热技术不同类型换热管传热特性的比较
3.1 实验仪器
在本次实验中, 使用的主要仪器如下:精密压力表, 型号为YB150、该仪器的测量精度等级0.25、换热器 (可拆卸更换换热管) 、DZF电热蒸汽发生器、温度计、贮水箱、水泵、电磁流计量、U型水银压差计、同等长度及等内径的螺旋管、脊型肋管、圆形肋管等等。
3.2 实验流程
为了保证本次实验结果的准确性, 在实验正式开始之前, 需要对换热管的表面进行清洁处理, 保证换热管内外无污垢。同时还需要对仪器仪表的性能和状态进行检查, 看其是否正常, 然后对接线和电源进行检查, 确认无误后, 开启电源, 设置好相关参数后, 便可开始实验。本次实验换热器壳程的蒸汽与管程的冷却水并流换热。流程如图1所示。
(1) 精密压力表; (2) 换热器; (3) 温度计; (4) DZF电热蒸汽发生器; (5) 贮水箱; (6) 水泵; (7) 电磁流计量; (8) U型水银压差计
(1) 将螺旋管装入换热器内, 拧紧, 检查无泄漏。向DZF电热蒸汽发生器和贮水箱内注入一定量的冷却水。检查无误后, 开启水泵及水泵出口阀门, 促使管程冷却水循环。之后, 开启蒸汽发生器的电源, 对DZF电热蒸汽发生器内冷却水水进行加热产生蒸汽, 打开蒸汽出口阀门, 让蒸汽流入, 并使蒸汽在相应设备中流通30min左右, 待整个蒸汽通道内排除不凝气体之后方可进入实验阶段。
(2) 调节水泵出口阀门将冷却水速度设置为固定值, 同时保持冷却水入口温度始终保持在一定的温度, 并且保证蒸汽入口的压力与温度处于稳定状态。待管壳程流体达到稳定状态之后, 分别记录下此时冷却水出口与蒸汽出口温度。当冷却水进入到换热系统中之后, 假设流入入口之前的温度为t1, 流出后的温度为t2, 那么冷却水所带走的热量即为:Q=WCp (t2-t1) 。蒸汽的入口温度为T1, 出口温度为T2, 蒸汽所消耗的热量为Q=WCp (T2-T1) 。 (其中, Q为热量;Cp为水的比热容, W为冷却水的流量) 。
(3) 调节水泵出口阀门, 改变冷却水的流量, 并记录冷却水流量, 依次记录不同流量下冷却水出口与蒸汽出口温度, 依据热量方程计算不同流量下冷却水带走的热量。
(4) 整体实验完成后, 将各个阀门、蒸汽发生器、控制柜电源关闭。
(5) 将换热器内螺旋管拆卸下来, 分别换上脊型肋管、圆形肋管, 并在工况相同的条件下按照上述步骤进依次进行流动、传热测试, 记录相应的结果即可。
3.3 实验结果分析
依据相关的研究结论传热系数在流体处于湍流状态 (雷诺数Re>4000时, 一般为湍流) 下的传热系数最佳。因此本实验主要研究针对流体处于湍流状态下传热系数的比较, 实验数据都是在流体处于湍流状态下获得。在计算总传热系数时, 将管外视为蒸汽冷凝, 将管内视为冷却水被蒸汽发生器加热, 忽略不计管壁上所产生的热阻。基于本次实验数据结果, 对实验数据进行合理化处理分析, 对传热系数K进行校正处理, 根据雷诺数方程Re=dup/µ, (其中, d为管内径, u为流体的流速, p为流体的密度, µ为流体的粘度) 、傅里叶方程Q=KSΔT (其中, Q为热量, K为传热系数, ΔT平均温差, S为换热面积) 及Gnielinski关联式, 对获取螺旋管的实验数据进行处理, 并且在工况不变的前提下, 与圆形肋管和脊形肋管进行对比得出螺旋管、圆形肋管、脊形肋管流体流动状态与对流传热系数的关系, 如图3所示。
经过对实验数据的校正处理之后, 可以看出:当Re在一定的范围内, 冷却水对螺旋管的对流传热系数达到了一个较高标准, 其传热特性比较理想。螺旋管的内强化传热效果在低Re的情况下最佳, 当Re增大后, 管内的传热优势会有所减小, 但在实验Re的范围内, 螺旋管的总传热系数最大, 其壳侧的传热特性也非常良好, 并且要优于其它两种管型。此外, 螺旋管的加工效率较高, 成本也比另外两种管型更低, 所以, 它更适合在实际中应用。
4 结论
综上所述, 本文通过实验的方法对三种类型的管式换热器的传热特性进行了研究。实验结果表明, 在工况相同的情况下, 同时的流体流动状态Re处于一定范围的条件下螺旋管换热器的传热特性最佳。因此, 建议在实际应用中以螺旋管换热器作为首选。
参考文献
[1]唐凌虹.谢公南.曾敏等.三种大管径翅管式换热器传热与阻力特性的试验研究[J].西安交通大学报.2010 (07) .
[2]游永华.管壳式换热器中单相流体强化传热的数值模拟和实验研究[J]华中科技大学.2013.
强化传热 篇2
关键词：湍流边界层强化传热。波纹换热管传热系数
波绞管换热器是应用强化传热原理和优化换热管综合性能而推出的新型高效传热热交换设备。是一种高新技术的强化传热节能型新产品。本高新技术的推出形成了一整套强化传热机理理论，有传统壳管式换热器不可比拟的性能优势，同时促进并实现了换热设备的更新，它是以薄壁不锈钢等金属材料的波纹换热管束代替直管换热管束，修正内部结构，依据压力容器等相关国家专业标准设计研制而成。本产品已经在电力供热领域得到了成熟的应用和推广。
1.技术分析
传热温差主要决定于冷、热两种介质的温度条件，若系统情况允许应尽量选择逆流，但一般已经为生产操作条件所确定；本产品换热管代替原等直径光管.在保证管束排列的基础上不仅增加了传热面积，更主要的是激发流体湍流的流动效果，提高传热系数是本产品强化传热的重点，应对传热效率和综合经济效益起着关键性作用。
1.1介质流动状态的强化
壳管式换热器的换热管均为平滑壁面的直管，由于管内流体与壁面的粘接(粘性)作用，在流体与壁面的接触处形成具有层(滞)流状态的边界层。当流体进入直管初始时流速均匀，随着介质的流动边界层厚度增加且边界层内流速逐渐减小直至为零，同时随着边界层厚度的逐渐增加管中心部位的轴向流速也逐渐增大，而当流速增大到一定程度时流动即由层(滞)流状态转变为湍流状态。
1.2换热管的优化形状及传热性能
经过大量实验和实际应用得出核心元件(换热管)的优化形状是保证强化传热的主要条件。形状的选择是基于以较小的流速激发湍流并实现如下功能：
(1)由于换热管规律性的形状尺寸，使管内介质流动状态的改变不需要大的雷诺数(即流速较低)，流阻较小，所以介质的任意扰动状况使流体不能形成与轴线平行的流股，进而流体介质的温度，密度、粘性分布及杂质含量沿径向都是均匀的，强化了换热管的热工性能。
(2)换热管的形状优化在保证正常情况下前后具有“引射放应”与“节流效应”，即两次变向扰动，故两区域全部内表面都受到流体介质的充分冲刷而不能形成边界层和污垢层，进而管内传热性能大幅度地提高。
(3)由于管壁很薄且具有曲率，排除了轴向与径向应力的集中使其具有温差作用下的可伸缩性，使表面污垢杂质容易脱落，因而换热管具有较强的防垢和自动除垢作用，所以进步强化了管内外的给给热性能。
1.3传热系数及其计算
传热系数K是换热器的主要性能指标，也是本高新技术强化传热的最主要实施点。由于换热管良好的传热性能，使热阻最大(约占全部热阻90％，是边界层外热阻的十几倍)的边界层处热阻急剧下降；又由于管内流体不断往复的任意扰动介质均匀分布，污垢杂质层也得到有效的破坏、从而明显地扩大了低热阻区域，使管内外传热得到了显著的强化，故而波纹管换热器的传热系数与壳管式换热器相比有大幅度的提高。
波纹管换热器是通过波纹管束管内流和管外横向流换热系数的实验数据研究，并把每一热阻都修正在同一参考面积下进行计算，在大量数据处理基础上综合各方面因素确定公式进行计算。
1.4波纹换热管的强度耐压等性能特点
本产品换热管除具有良好的传热性能外，还具有如下性能特点：
(1)薄壁换热成型具有严格的成形工艺和形状尺才，它是在无任何轴向拉(压)、即在自由状态下单波自动连续成形，所以其减薄量极小(远小于10％壁厚)，使整体管束具有良好的韧性、刚度和轴向伸缩性能特点，避免了换热管束在設备使用过程中由于振动等原因造成的与折流板等部件的碰撞磨损，同时能够补偿两换热介质之间的温差变形。
(2)薄壁换热器经过试验实测和本产品的应用，证明其具有一定的耐压能力，是一个性能良好的受压元件。
2.技术性能的综合强化
波纹管换热器的综合强化是从以下各方面得以保证的：
(1)根据设备运行技术参数，通过工艺选型计算确定本产品的规格和换热能力。工艺设计计算时有限制地增加管内流动速度促进湍流以提高传热效率；
(2)设计制造执行GB150-1998和GBl50-1999等压力容器国家标准及企业波纹换热管技术条件，并力求实换热管，管扳、法兰等硬件与流程、介质种类腐蚀程度、压力，温度等软件的良好配合。换热管通常选用不锈钢等，也可根据介质腐蚀情况及具体使用要求选用钢及钛合金管材等，
(3)波纹换热管自身的性能特点使其能补偿壳程与管程之间温差产生的轴向拉脱力，使壳体省掉了膨胀节装置，也所以从结构上避免了介质泄漏和介质混合现象。由于不锈钢换热管具有良好的韧性、耐压性能及抗腐蚀性能均使整体设备使用寿命大大提高；
(4)产品不仅换热效率高，而且从传热机理上几乎排除了堵塞和结垢的可能性，从而明显降低了设备的维修量，增加了使用寿命。由于单位换热管面积增加和传热系数的显著提高，故本产品整体设备结构紧凑，体积重量小，综合性能优良。
脉动流动强化传热的研究进展 篇3
由于电子工业的飞速发展,对电子集成块中各元件间散热的要求越来越高,脉动流动可以加快电子集成块中各元件的散热,从而延长电子元件的使用寿命。脉动传热现象的研究是伴随着脉动燃烧研究的出现、发展和不断完善而孕育发展起来的。由于脉动流动的复杂性,其传热特性受到多因素的影响,涉及多学科理论知识。脉动流动可以作为一种扰流技术应用于强化传热,国内外对于这方面也已进行了相关的研究,并指出流体的掺混是强化传热主要因素之一,因脉动流动能显著增强通道内流体的相互扰动与混合,破坏热边界层,进而改变热阻,达到强化传热目的[1,2]。脉动流动强化传热以其独特的优越性一直受到国内外的广泛关注,并且在工业生产及日常生活中具有广泛的应用前景。
1 脉动传热的机理
流体脉动强化传热主要是由于流体的脉动导致了壁面处旋涡的大量生成,使紧贴壁面的粘性底层减薄,增加主流流体的湍流度,并增加了流体的掺混,破坏了边界层,增大换热面的效果,达到强化传热的目的[2]。整个强化换热过程分为旋涡的生成、分解和扩散三个紧密相连的环节[3]。这一过程中,生成环节是占主导地位的,旋涡的生成密度越大,换热效果越好,而旋涡的生成是沿壁面径向速度梯度增大的结果,因此造成大的径向速度梯度就能达到增加强化传热效果。
2 流体脉动强化传热的方法
流体脉动流动主要有流道几何形状和流体的速度或流动方向呈周期性变化两种类型。利用流体脉动强化传热也主要从这两方面入手,目前主要有传热面振动和流体自身脉动两种方法。
2.1 传热面振动
俞接成[4]对空气低速绕流振动圆柱的对流换热进行了研究,圆柱以正弦函数形式垂直于来流方向振动,得到圆柱振动可使换热显著强化,在所研究的范围内,最大可使传热强化9倍,并得出振动是否强化传热还存在临界振动参数。
虽然传热面振动能强化传热,但控制传热面振动来强化传热比较困难,并具有破坏性振动,有可能使传热设备产生共振而损坏设备,因此很少应用传热面振动来强化传热。
2.2 流体自身脉动
由于传热面的振动容易损坏换热设备,所以可利用流体自身脉动以提高传热系数。流体自身脉动流动按照激振方式可以分为强制脉动流动和自激脉动流动。强制脉动是利用外部设备将一定的脉动强度(振幅和频率)强加于系统之上,迫使其脉动的脉动形式。自激脉动是系统本身在一定条件下自行产生脉动的脉动形式。
W.L.Cooper[5]等用往复活塞推动空气做了脉动对流换热的研究结果表明,脉动流动时边界层或速度发生周期性波动,但都比Blasius边界层薄,因此脉动有利于传热。
曾尚春、李友荣[6]等将共振腔产生的自激脉动流引入换热器的结果指出,当自激脉动达到一定的强度时能够破坏层流底层,从而可以强化换热;不同的脉动强度,强化换热的效果也不同,存在一个理想的流速范围,此时脉动较强,强化传热效果较好;在一定的工况下,最佳强化效果能将传热系数提高30%左右。
3 流体脉动传热特性影响参数
目前对脉动流动强化传热的研究主要集中在对流型的可视化研究及单个的参数影响研究。影响流体脉动传热特性的参数大致分为以下三类:①操作参数,包括脉动频率、脉动振幅脉动型式等;②几何参数,包括管径、流动通道的几何结构及通道表面情况等;③物理参数,包括雷诺数、流体平均流速、脉动源位置及脉动前的流动状态等。
3.1 脉动频率的影响
脉动频率是影响传热的重要因素。对管内流体而言,脉动流动使管内流速不断变化,此时流体脉动频率将直接影响流速及近壁面处径向速度梯度的变化,从而影响漩涡的生成及存在状态。频率过高或过低都不能产生最大的旋涡生成量,因而达不到最佳传热效果;在低频时,提高频率能够增强速度梯度,因而有利于传热;但脉动频率过高则使流速得不到足够的衰减而减弱脉动强度,反而不利于传热;因此有最佳频率值存在,使在此频率下,一个脉动周期内可以得到最大旋涡生成量,从而获得最大的传热效果[3]。
Herbert Martin Hofmann、Daniela Luminita Movileanu[7]等研究了脉动对流动结构和传热的影响,结果表明在平均流动中周期性波动能够影响对流传热;湍流量级内对于小喷嘴板间距时大的脉动频率可以提高传热,而小的脉动频率对传热影响不大。
李淑英和李兴泉[8]通过对装有脉动源的管式换热系统的管内流体脉动流动的研究表明,管内流体脉动可以强化传热,但在不同的流速下,脉动对传热的效果的影响不同;在流速一定时,E~f曲线存在一个峰值,即最佳频率值,且随流量不同最佳频率值不同,随速度增加最佳频率值增大。
3.2 脉动振幅的影响
采用准稳态理论研究的脉动振幅对强化传热的影响,由图1(R表示脉动平均对流传热系数与稳态对流传热系数之比,A为无因次脉动流速的振幅)可以看出只有脉动振幅达到一定的幅度以后,脉动才能使对流传热增强[9]。
B.Olayiwola和P.Walzel[10]实验研究了带有矩形翅片通道内的脉动流动对横向流和强化传热的影响,结果发现脉动流动对提高传热系数的影响随脉动振幅的增加而变得更重要,并发现传热提高与横流速度相配。
Anotai Sulsangpanomrung[11]等通过对入口具有脉动流动的二维矩形板上的流动和对流传热进行了数值研究,结果表明在低雷诺数下脉动流动频率和振幅的变化引起漩涡脱落的形成强制流动变得不稳定,分离泡沫降低而传热率提高;中等雷诺数下漩涡脱落特性受脉动振幅控制,产生整体传热率最大值下的最佳脉动振幅发现在A=0.1且f=0.3。
3.3 雷诺数的影响
由于脉动能促进流体掺混,雷诺数较低即层流或过渡区的传热强化作用更明显;当流速过高时,流体已经处于旺盛湍流状态,内部已经存在着大量脉动漩涡,而且流体具有较大的流动惯性,对外加脉动的响应比较迟缓,脉动振幅也不会太大,因而不会有太明显的强化传热效果。
Tsai-Shou Chang和Yann-Huei Shiau[12]对竖直平行通道内挡板对脉动混合对流传热特性影响的研究结果表明,当雷诺数Re增加时通道内的速度振荡逐渐由强加的脉动流动支配,并随雷诺数Re的增大传热得到强化。
3.4 管径的影响
流体脉动强化传热过程包括旋涡的生成、分解和扩散三个环节,而管径的影响主要表现在旋涡的扩散上[3]。因为管径大小影响管横截面的速度分布,从而影响近壁面处的径向速度梯度及其变化率,所以管径的大小意味着旋涡扩散路径的长短,则较小管径更有利于旋涡的扩散,因而对强化传热是有利的。另外需要注意的是管径的缩小,则同样的流速脉动能在近壁面处产生较大的速度及速度梯度的脉动,从而能导致旋涡的大量生成有利于传热。
3.5 脉动型式的影响
脉动型式主要是指脉动产生的流速变化形式,它主要与产生脉动的方式有关。一般认为在诸如往复泵和断续阀的脉动系统中流速的变化是余弦型的,但这不是唯一也不一定是最佳的流速脉动型式[13]。
一个流体脉动周期有流速的增大和衰减两个过程,旋涡是在流速增大过程中形成的,所以好的脉动型式应具有较短的增大半周期和较长的衰减半周期(如图2所示),较长的衰减半周期能让流速衰减到足够低以在增大半周期内造成较大的速度振幅,且为旋涡的分解和扩散提供了足够的时间,较短的流速增长半周期更有利于旋涡的大量生成。因此类似于锯齿型的具有流速下降较缓和流速增大较陡曲线的脉动型式,对于强化传热应该是更有利的。
谢公南[14]等数值研究了波纹通道内脉动流动与换热情况的结果表明,流动阻力特性呈周期性余弦规律变化,传热Nu数呈正弦规律变化;频率、振幅的增大,使得阻力脉动幅度增大;受入口脉动流的影响,通道内的旋涡发生周期性的脱落、增长和迁移,从而增强了流体之间的扰动和掺混,强化了传热;传热的强化效果随着振幅的增大而增强,但在特定人口脉动流下,相同振幅不同频率下的强化效果几乎一致。
3.6 流体物理性质的影响
影响传热的流体物理性质主要是流体粘性,当流体粘性较大时有利于漩涡的生成,对传热的影响是有利的,但粘性过大则会阻碍流速的脉动变化,反而不利于传热。由于粘性对脉动传热影响的复杂性,对其还需进一步的研究。
4 研究现状
早在30年代就有人开始研究了脉动强化传热。早期的研究由于实验条件的限制,诸多实验结果不尽相同。Warren M Rohsenow[15]等收集了早期的实验成果,并整理成图,从图可以看出:由于脉动方法、工质、脉动频率等的不同,研究者所得的实验曲线不尽相同。20世纪70年代初发生的世界性能源危机,更有力地促进了脉动流动在强化传热方面的研究,脉动流动强化传热的流动特性、传热特性的研究是人们关心的重要课题。
4.1 实验研究方面
Dec[16]研究了在Helmholtz型脉动燃烧器的尾管中,燃气流对尾管壁面的传热特性,揭示了脉动对热传递过程的增强作用;还发现由于气流脉动的作用传热速率提高了2.5倍;表征换热特性的努赛尔数Nu随脉动幅度和频率的增加而增大;脉动使传热增加的程度随平均质量流量的增加而下降。
Habib和Attya[17]对层流状态下的脉动空气在不同的雷诺数和脉动频率进行了对流换热特性的试验研究得到,Nu显示受脉动频率的影响比较强烈,而对Re的变化却不敏感;Nu的增大随着脉动频率或Re的增加而降低;流体的脉动对换热特性有明显的影响,换热效果有增有减。
张玉娟[18]对流体脉动强化传热的试验研究表明,脉动源的位置对强化传热有重要影响,在上游脉动能强化传热而在下游则减弱传热效果;脉动强化传热比不是随频率的增大而单调增大的,高效频率范围大多数在1 Hz左右。
Jeong Woo Moon、Seo Young kim[19]等研究了通道壁面上设置有周期性串连间隔板的通道内脉动流动对对流传热的影响,结果表明对于稳态流动增加块间跨距由于块夹带冷流体增加而提高了对流换热;并发现当依赖于块间距和脉动频率的脉动流动增强时传热有显著的提高;上游块强化传热大部分在频率fF=40 Hz时出现峰值,而与块间跨距的改变无关,但是随着块间跨距的增加下游块的热共振频率减小。
高虹和曾丹苓[20]通过自激振荡脉冲射流的试验研究得到,在合适的水力参数和结构参数的配合下,Helmholtz共振腔产生的脉动流将明显地强化换热;压差增大时将产生更强烈的脉动流,明显地提高流体的紊流程度强化管内流动换热,较高压差时的强化比大于较低压差的强化比;而在流量及压差较小时使用共振腔时不一定能起到强化换热的作用。
D.X.Jin、Y.P.Lee[21]等对三角形凹槽道内脉动流动的实验研究表明,脉动流激励可促进传热,在Re=270,St=0.34和η=0.5时与稳态流相比传热增强最大值为350%;漩涡反复的产生、生长、膨胀及脉动促进的槽内流体和主流流体间的强烈混合使其从沟槽排向主流,使从壁面到主流流体的传热得到增强。
4.2 数值研究
Kim et al.[22]对在带有两个加热块作为热源的脉动流道内流动的情况下的强化传热现象进行了数值模拟研究,指出共振存在的影响是在一定的脉动频率下强化传热达到最大。
H.N.Hemida、M.N.Sabry[23]等研究了雷诺数和普朗特以及脉动幅度和频率对传热的影响,并阐述了脉动对发展区域的影响及沿管长产生阻尼振荡的时间平均Nu数的机理。
杨卫卫[24]等对对不可压缩脉动流动的流动和换热特性进行了数值模拟研究表明在脉动流动时,壁面的换热也受到影响.随着频率的增大,流体的脉动对Nu的影响逐渐集中在加热段上游的区域,而在下游的绝大部分区域,其影响可以忽略。
Xuefeng Wang 和Nengli Zhang[25]对有大速度振荡幅度的脉动湍流流动的恒壁温管内的对流传热进行了数值研究,结果表明大振幅的速度振荡和脉动紊流中的逆流极大的促进了传热的强化。
何雅玲[26]等对脉动流动强化凸块散热进行了数值研究结果表明,脉动流动加强了流体的扰动和掺混作用,增强了流体的传热能力,进而强化了凸块的散热。凸块散热的强化效果随着Re数和振幅A的增大而增大,并且对于该模型存在最佳的St数。
吴峰、王秋旺[27]等对单侧带有周期性分布纵向涡发生器通道内的流动与传热动态特性进行了非稳态三维数值模拟结果表明,在脉动流动的影响下纵向涡发生器的传热能力得到了强化,随着脉动频率的增加传热强化程度得到了进一步加强。
5 结束语
流体脉动强化传热作为一种有效的强化传热技术,虽然已有众多学者对其进行了研究,但由于脉动流动的复杂性,影响参数众多,所以对其研究还不很成熟。在工业上的应用也不广泛,仅在糖厂和电子领域有一定的应用。在已有研究的基础上,该领域的研究有一下几个值得注意的方向:
(1)影响脉动流动的因素很多,目前对单个参数的影响研究较多,需对各个参数交互影响进行系统研究,找出最佳工作条件。
(2)在已有的研究中所使用的物料多为空气、水等粘性较小的物料,与实际生产中所用物料性质相差较大,由于脉动可以防止壁面结垢,所以对有一定粘性或易结垢物料的研究是一个值得关注的问题。
(3)脉动发生装置是脉动流动中的一个关键因素,其合理与否直接影响到脉动流动的情况,从而影响到其传热性能,有必要进一步研究。
综上所述,脉动流动对传热特性的影响和在工业上的应用将会成为研究的热点。随着研究的深入,相信脉动流动强化传热会在工业生产中得到广泛的应用。
针刺板吸附床强化传热的理论研究 篇4
1 针刺板吸附床与板翅式吸附床的结构特点
如图1所示,板翅式吸附床和针刺板吸附床的共同结构特点是两个平板之间构成一个截面为长方形的流体通道,换热流体进入流体通道,流体通过两边的板片与填充吸附剂的吸附室交换热量。不同之处是板翅式吸附床在平板上利用直板翅片为扩展面来强化传热,而针刺板吸附床是利用针刺为扩展面来达到强化传热的目的。在吸附室侧的板面上的直板状翅片或针刺状翅片见图2,图3。
板翅式吸附床单个换热单元结构尺寸(单位:mm):
外形尺寸:1 000×29×300(长×宽×高);
翅片尺寸:300×9×1(长×宽×高);
翅片间距:60,翅片个数:16。
针刺板吸附床单个换热单元结构尺寸(单位:mm):
外形尺寸:1 000×29×300(长×宽×高);
针刺尺寸:9×1×1(长×宽×高);
针刺间距:3,针刺个数:960。
板翅式吸附床和针刺式吸附床的流体通道尺寸:
1 000×300×3(长×宽×高)。
2 针刺板的表面传热性能计算
针刺板吸附床从传热机理[2]来说,它的主要特点是具有扩展的二次换热面,因而传热方程和热阻方程只是在与一般换热器相同形式公式中引入了表面效率η0。传热系数是与通道表面积相对应的,热冷通道的换热系数必定与相应的热冷通道表面积相对应。表面效率η0是一次表面的100%效率和针刺表面低于100%效率的加权平均,因此有:
其中,翅片效率ηf为针刺实际的平均传热温差和一次换热面换热温差的比值。
针刺板吸附床由于形状壁面很薄,流体通道狭窄,吸附剂侧的传热传质非常复杂,因而影响其表面传热性能的各种变量之间的关系非常多,难以对针刺侧的表面换热性能进行理论求解,一般可以通过实验来测定。
但是吸附床总的传热热阻公式可以由下式表达:
1)板翅式换热器翅片侧的总表面积:
翅片个数:n1=1 000/60≈16个。
吸附剂侧的总表面积:
Aads1=1 000×300+9×300×16×2
=386 400 mm2。
2)针刺板换热器针刺侧的总表面积:
针刺个数:n2=16×300=4 800个。
总表面积:Aads2=1 000×300+4 800×1×9×4=472 800 mm2。
针刺板换热器针刺侧面积比板翅式换热器板翅侧面积增加的百分比为:
3结语
从传热热阻方程可以看出:将同等质量的翅片做成针刺的时候,其表面积比原来的表面积增加22.36%,增加了表面传热效率η0,降低板与吸附剂之间的传热热阻,提高了吸附床的传热系数Kbed。
摘要：针对吸附床作为固体吸附式制冷系统核心部件的重要性,提出了一种新型针刺板吸附床,利用针刺丰富的扩展表面为传热面,降低吸附剂与床体之间的热阻,从而提高了吸附床的传热能力。
关键词：固体吸附式制冷,针刺板吸附床,强化传热
参考文献
[1]王如竹,丁国良.最新制冷空调技术[M].北京:科学出版社2,002:344-345.
[2]过增元,黄素逸.场协同原理与强化传热新技术[M].北京:中国电力出版社2,004:123-152.
强化传热 篇5
由于不合理的开采和利用,能源短缺问题已在全球范围内出现,但能源浪费现象依然十分严重[1]。鉴于能源供需紧张的现状和现阶段工业余热大量过剩、利用率低等各种问题,回收利用工业余热逐渐成为可持续发展的战略途径[2,3]。而如何采取更有效的节能措施、设计更先进的换热设备已成为国内外众多学者研究的难题。
波纹管换热器是在传统管壳式换热器的基础上,采用强化传热原理研制开发出的一种高效传热设备。它不但继承了管壳式换热器的优点,还具有体积小、传热系数高、防垢的特点,具有很强的实用性。
邓方义[4]等采用油、水、水蒸气对波纹管换热器的传热和流动阻力性能进行了试验研究,结果表明波纹管换热器的总传热系数比光管高1.5倍以上。吴峰[5]应用三维变物性层流模型及低雷诺数湍流模型分别对波纹管及光管管内流动与传热性能进行了模拟研究。谭秀娟[6]等以换热量、内管阻力和环隙阻力为评价指标,通过极差和方差分析方法对正交试验结果进行分析,得到了各因素对波纹管性能的影响程度。
文中通过建立波纹管换热器二维数学模型,对比分析了波纹管与光管的传热效率以及波节高和波纹间距对系统传热效率的影响。对波纹管式蓄热装置的实际应用具有一定的参考价值。
1 结构模型确定
1.1 波纹管式相变蓄热装置结构设计
对于烟气余热回收蓄热装置,在传热过程中,主要的热阻来源就是热导率很低的热媒体烟气,而且该装置中采用己二酸(Adipic Acid,AA)作为相变储热材料,己二酸的热导率也不高,所以在设计过程中考虑到换热管两侧热阻均较大的情况下,需要采取相应的强化手段以加强蓄热装置中传热媒体与相变材料之间的换热效果,波纹管就是一种新型强化换热管型结构,在换热过程中,对于管内流体,波纹管的不断突变的截面可以破坏流体边界层,增强流体扰动,降低管内热阻以强化传热,而且波纹处的表面积得到扩展,增大了相变材料与热媒体之间的传热面积。
文中设计一种以波纹管作为热媒体流道的管壳式蓄热装置,蓄热装置结构如图1所示。波纹管结构特征如图2所示。波纹管管径为D1,文中采用管径为25mm,管壁厚度为1mm,长度为1000mm。此外,还定义了2个结构参数,分别为波纹高度h=(D2-D1)/2和波纹间距L=L1+L2;L2保持不变,为16mm。
1.2 蓄热单元数学模型建立
在蓄热装置中,可以认为每一个换热管的换热情况基本一致,可以取换热管及周围相应的蓄热材料为一个基本蓄热单元。因此,获得一个蓄热单元的蓄/放热情况就可以得知整个蓄热装置的情况。基本蓄热单元在结构上关于换热管的轴线中心对称,可以认为在周向上没有热量的传递,因此可以将三维的蓄热单元简化为二维的轴对称模型进行数值计算,模型如图3所示。
为了简化计算,对模拟过程中的数学模型做如下假设:
1)相变材料和热媒体各向同性,且物性参数不随温度发生变化,相关物性参数如表1和表2所示。
2)忽略辐射换热,相变材料和传热壁面之间仅考虑热传导,忽略对流传热和辐射换热。
3)不考虑各个换热单元之间的传热影响。
4)假设蓄热单元PCM区域外表面绝热。
根据以上假设和相变传热理论,建立如下控制方程。
质量守恒方程(也称为连续性方程):
动量守恒方程(N-S)方程:
能量守恒方程:
其中:
式中:ρf—传热介质密度;
H—任意时刻函值;
t—时间;
u、v、w—分别为x、y、z方向的速度矢量;
μ—动力粘度;
H—相变材料的相变潜热;
href—基准焓值;
h—显热焓值;
P—压强;
β—液相率在0~1变化;
TS、Tl—分别为相变材料凝固和熔化时的液相线温度。
在模拟过程中为了得到某些特征位置处的温度随时间的变化趋势,可以在计算单元中设置如图3所示的监测点,其中点1在AA区域靠近中心波谷近壁处。点2和点3分别在与点1同一横坐标上的AA中间位置和轴线上,点5为相变材料区域轴线端点,点4在3和5中间。
1.3 边界和初始条件
1)温度连续。
2)热流密度。
3)装置上下表面绝热。
式中:T—温度;
下标w、f—分别代表代表壁面区域、传热流体区域;
p—储热材料区域;
h—蓄热单元Y方向的长度。
蓄热装置中热媒体与蓄热单元区域的初始温度是相等的,因为没有热量输出或输入的时候,这2个区域会达到平衡状态,即:
式中:T—蓄热单元区域的温度;
T0—蓄热槽的初始温度。
1.4 Fluent求解器设置
选取管径为25mm,管间距为110mm,波纹高度为3mm,波纹间距为22mm的蓄热单元为例,在gambit中建立蓄热单元基本几何模型,并进行网格划分,模型定义为3个区域,即:传热介质区域、相变材料区域以及波纹式传热壁面区域。在进行面域网格划分时,考虑到波纹的存在,各区域结构并不规则,故采用非结构化三角形网格,设置网格尺寸为1mm,划分后网格总数为72364个,用单元夹角歪斜度(Equi Angle Skew)标准检查网格质量,结果显示Equi Angle Skew在0到0.1之间的网格比例达到98.3%,网格质量较高,符合计算要求。在gambit中定义边界类型和区域类型[7]。
将网格文件导入Fluent中进行求解,检查网格质量并更改模型量纲。基本求解器设置为2D分离隐式非稳态求解模型,启动熔化/凝固模型,为使热媒体烟气与传热壁面充分换热,选取较小流速,将流体雷诺数控制在层流范围,在Viscous Model中将热流体流动状态定义为层流。定义材料属性,将相变材料己二酸和烟气的热物性参数添加到材料库中,在放热阶段,冷流体直接调用数据库中空气参数。操作环境选择默认模式,设置边界条件,设置入口热媒体流速为0.1m/s,充热/放热阶段传热介质温度分别为260℃和25℃。初始化温度场,在充热/放热阶段,分别将整个模型区域初始温度设定为25℃和260℃。保存文件并设置自动保存后开始迭代计算,时间步长设置为0.1s。
2 数值模拟分析
2.1 有无波纹管对充放热过程的影响
为研究波纹管结构对相变储热过程的影响,文中对比了相同工况下采用直管的蓄热过程,分析了波纹管的强化传热效果。在该部分研究,波纹的波纹高度为h=3mm,波纹间距为L=22mm;直管管径为25mm。图4、图5分别给出了采用波纹管和直管结构近出口端在不同时刻的温度分布图。通过对比可以看出,相比直管,波纹管热媒体中心温度与近壁处边界层温差更大,这是因为对于波纹管结构,不断变化的截面尺寸,使得烟气通过管道时在管壁处,出现强烈扰动,流体在层流速度条件下达到湍流状态,且在波峰处形成漩涡,使得流速减小并与壁面充分换热,将更多热量传递给相变材料,因此壁面处和中心处的温差更大。另外,从图4和图5可以看出,相变材料区域温度的变化趋势与壁面形状保持一致,而且靠近热流体入口端的相变材料温度上升的比出口端要快。在25min时,壁处已有少量AA达到相变温度。到75min时,采用波纹管和直管相变材料区域的温度分布出现了明显的差异,采用波纹管的相变材料区域温度基本都已临近相变温度或在相变温度之上,而直管结构的相变材料温度还有很大比例在相变温度以下。在每个相同的时刻,直管单元中的最低温度始终要小于波纹管最低温度,而且直管中热媒体温度始终保持较高,到100min时相变材料区域仍有近一半没有达到相变温度。综上所述,波纹管在该结构的烟气蓄热装置具有明显的强化效果。
图6和图7分别为波纹管/直管储热单元放热阶段在20min、40min、60min和80min等4个时刻液相率分布云图。20min时,波纹管单元相变材料的凝固比率明显多于直管单元,已经达到1/3,且固液界面曲线与壁面形状呈现一定的相似性;随着时间的推移,相似性减弱,固相区域逐渐沿传热介质流动方向推进。在80min时,相变材料区域已有90%完成相变,而直管单元仍有1/3的相变材料没有发生相变。
为了更好地反映波纹管的强化效果,研究监测了蓄/放热过程相变材料的液相比例随时间的变化,结果如图8所示。在充热阶段,当波纹管单元相变材料完全熔化时,直管单元中仍有45%没有发生熔化。而在放热阶段,当波纹管单元相变材料完全凝固时,直管单元仍有20%没有凝固。
综上所述,波纹管单元的传热效果明显优于直管单元。这主要有2方面的原因:
1)波纹管结构的周期性变化使得烟气在管内流动会形成涡流,破坏流动边界层,增加了烟气的扰动,强化换热效果。
2)由于波纹管是由光管扎制而成,在外壁呈现出周期性变化的波纹结构,对于相同长度的直管,波纹管的内外表面积都得到了明显的提高;已有文献报道[8],具有7mm波纹的直径为25mm的波纹管表面相比直管增加了20%左右。
2.2 波纹高对充放热过程的影响
从上述研究结果可以看出,将波纹管用于烟气蓄热装置强化换热效果明显。而波纹高度作为波纹管的一个重要参数必然会影响换热效果。因此文中研究了波纹高度对蓄/放热过程的影响规律。因为过高的波纹高度,可能使得流体容易在波峰处形成死区,使得强化换热效果不佳[9,10];另外,过高的波纹高度增加了波纹管最大直径,减少了蓄热单元中相变材料的体积。因此,该部分波纹高度分别取3mm、5mm和7mm共3种情况,波纹间距保持不变,为22mm。图9(a)、(b)分别给出了这3种情况在蓄热和放热过程的液相比例随时间的变化曲线。
从图9(a)可以看出,在蓄热过程,3种结构下的液相比率随时间的变化趋势是一致的,曲线逐渐变陡,之后有开始变缓。尽管在蓄热初始阶段3条曲线非常接近,但是仍然可以看出,7mm的波纹高度液相率变化速度最大,3mm的最慢。波纹高度为7mm波纹管单元在5200s左右蓄热材料完全熔化,5mm的紧随其后在5300s完成,而3mm的需要到6000s才完全熔化。同样,在放热阶段,3种结构的液相率随时间的变化趋势保持一致,相比蓄热过程,差别更小,但依然是波纹高度越高,相变速度越快,完全相变时间越短。这是因为一般来说波纹高度越高,烟气流经管道时越容易在波峰处形成流动漩涡,削弱流体速度边界层,增加烟气扰动,强化换热。
2.3 波纹间距对蓄/放热过程的影响
波纹管间距作为波纹管的另外一个重要的结构参数,对强化传热效果必然也会有影响,因此文中接着研究波纹管间距对蓄/放过程的影响。在该研究中,波纹管的高度取3mm,波纹间距分别取19mm、22mm、25mm和28mm这4个结构,并与直管作比较。
图10所示给出了这几种结构在蓄/放热过程液相率随时间的变化曲线。在蓄热阶段,不同波节间距下蓄热单元液相率变化趋势一样且时间上很接近,但从中间相同时刻观察,25mm间距下的液相率变化速度最快,在5250s左右相变材料完全融化,然后依次是19mm、22mm、28mm,这几种结构波纹管的液相率变化速率都比直管快。
对于放热阶段,这几种波纹间距下的液相率变化曲线更加接近,特别是19mm、22mm、28mm尺寸下的曲线图几乎重叠到一起,而尺寸为25mm时的液相率变化速度与蓄热过程一样,都快于另外3种尺寸,但区别不大。在波纹管中,烟气在近壁处流动到波峰处出现紊流,流速减小,静压增大,流动到波谷处时速度增加,压力减小,在整个管内流动过程中,烟气流速和压力出现周期性变化,削弱流体层流边界层,增强换热。但当波纹间距较小时,2个波峰之间的间隔就很短,使得流动速率和流动方向频繁发生变化,使得管内流动区域出现一定的死区,增加传烟气与壁面之间的热阻,反而影响传热。所以同样长的管道,并不是波纹数越多传热效果就一定越好,只有在适当的参数下,保证流体在管道中流动状态充分经历周期性的变化,才能更好地发挥强化作用。
3 结语
通过对比波纹管和光管蓄热单元,分析波纹管的强化传热效果。通过模拟不同结构参数下的蓄热单元蓄放热过程,分析不同波纹间距和不同波纹高度对蓄热单元的蓄热性能的影响,为实际应用提供参考,得出主要结论如下:
1)采用波纹管作为传热介质流通管道,对比相应尺寸的光管单元,在相同的初始条件下,波纹管储热速率是光管的2倍左右,采用波纹管能有效缩短蓄热时间,其强化传热效果显著。
2)波纹管的结构特征中,波纹间距和波纹高度对蓄热单元的充放热过程有影响,通过模拟对比分析几种波纹间距和波纹高度下的PCM液相率变化曲线的差别,确定当蓄热单元管径为25mm时,以25mm波纹间距和5mm波纹高度作为该装置中的最佳结构尺寸。
摘要：为了强化应用于烟气余热回收,设计了一种利用波纹管作为烟气流通管道、相变材料作为储热介质的传储热结构,并利用gambit建立了蓄热单元二维模型,通过Fluent分别模拟了波纹管和光管储热单元的蓄放热过程,分析强化传热效果。模拟分析了不同波纹高度和波纹间距尺寸参数对蓄热单元充放热过程的影响,为结构尺寸的优化设计提供参考。
关键词：余热回收,波纹管,相变材料,数值模拟
参考文献
[1]王革华.能源与可持续发展[M].北京:化学工业出版社,2005.
[2]周耘,王康,陈思明.工业余热利用现状及技术展望[J].科技情报开发与经济,2010,20:162-164.
[3]连红奎,李艳,束光阳子,等.我国工业余热回收利用技术综述[J].节能技术,2011,29:123-128.
[4]邓方义,刘巍,郭宏新,等.波纹管换热器的研究及工业应用[J].炼油技术与工程,2005,35:28-32.
[5]吴峰.波纹管内流动与传热三维数值模拟[J].石油化工设备,2009,38:22-26.
管壳式换热器的强化传热技术分析 篇6
1 管壳式换热器强化传热技术的必要性
由于国内工业水平的渐渐提升,换热设备也在更为广泛的领域被使用起来。自“十二五”以来,提倡节约能源,减少排放量,优化生产结构,及时处理耗能大、低效率的产业趋势,推动了换热器的优化提升。
就当前情况来讲,国内工业领域中对于换热器的种类大多数采用的是管壳式散热器,比例多到七成左右,然而弓形折流板换热器在这七成范围内又占了七成之上的份额,在原始的节能生产中有着举足轻重的位置。但是目前在节约能源,减少碳的排放量这种大环境下,原来的管壳散热器越来越不符合要求,传热的速度缓慢就是一个致命的技术弊端;从根本上来讲,转换热的速度越快就越符合节约能源的理念,达到预期目的也就越容易。所以,我们需要把管壳式换热器强化传热技术这一项研究提上日程。
2 换热器传热强化的作用
换热器换热速度的提升想法很简单,让换热器的单位转换效率提高就是我们的初衷。我们要满足现实的设备要求运送热能的效果,在这种基础上尽可能地把热量的传导加快速度,好达到预期的效果,使热量传导的效率提升起来。并且不能超出装备的容量允许范围,把内部的构造缩小,减少材料的损耗实现低成本的设想。
3 管程强化传热分析
(1)螺旋槽管螺旋槽管就是指利用专用的轧管这一装备,在圆管外表面事先做好螺旋的凹槽,要求是通长的进行,管的里面也要形成螺旋的形状并且要保持凸起的状态。我们可以设想一下管内需要通过的物体是液态,那么管内物体的流动效果必然会受到管里面螺旋纹络的阻碍,流动所产生的形状也会发生变化,形成外面薄里面是螺旋的形状,让换热效率有真的提升。
(2)波纹管波纹管的类型是属于强化管的范畴,波纹管具体是指在生产这类型的管子时,让管子的内部有波纹产生,并且要求这些波纹是连续不间断的。如果把波纹管纵向的剖开,所看到的形状是波形,并且圆弧画面的大小也不一样。还有,波纹管内流动的物体是液态,流动时的状态难以控制,流动的程度较强满足了传热提升的目的。
(3)内插物管内插物管这种方法有一定的局限性,管内的流体要先形成漩涡才能进行管内插入物质,让流体之间可以加快混合状态,满足管内流体的流动速度一致、每一部分的温度相同无温差,提升传热的效果。还有,如果内插物管能处在流体粘稠和低雷诺数的环境里,传热的速度会更快。管内的插入物来源广泛,使用最为频繁的是螺旋片、螺旋线和扭带这三种。经过实验室的实验研究表明,管内的介质满足层流换热时,用扭带这种管内插入物的传热效果可以翻倍。
4 壳程强化传热分析
(1)折流杆换热器折流杆换热器的原理通过把壳程折流板向成折流杆方向转变,并要求加以固定好。还有,我们可以把换热管的各个不同方向都固定好,再加上介质流动带来的作用力,管内会发生震动的机会就大大减少。在二十世纪五十年代,有人率先把管壳式换热器的构造进行了完善创新,减少了原先存在的技术弊端,创新出了壳程这一新的介质,也就是我们现如今所说的折流杆式换热器,可以满足里面介质纵向流动。被应用到产品中使用可以发现,与弓形折流板换热器作比较,传热性能有了很大的强化提高。近来,还有人试验把圆形的钢条换成扁形钢条或者是波形的扁钢等,试验的结果是振奋人心的,但这种效果在介质流动大的环境下才会理想。
(2)螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器采用多个25%份额的扇形板构成,变成形状是螺旋的折流板,最后的壳程介质达到以螺旋的形状工作就满足要求了。这种做法降低了介质返混流动的可能,也降低了死区的产生,此外流动的介质与换热管也会因为离心力和管壁分离开来,出现尾流现象,也是管道的边界绝对的分层,使传热的能力有了很大的提升。如果可以确保介质的流量一样,最大的压降会大幅度下降。并且,因为压降低的原因介质的流动的速度会增大,雷诺数也会增加,最终达到传热能力提高的目的。
(3)曲面弓形折流板换热器目前,管壳式散热器又问世了新的产品---曲面弓形折流板换热器,顾名思义它的表面形状是圆弧。还有,每个折流板的外曲面是凸的形状,并且它的外壁要和壳程流体的进口位置相对应,这样的作用是确保介质流动更加畅通,减少摩擦阻碍,最后壳程介质的流动速度自然会有所提升,各种流动死区和传热死区也会逐渐消失。如果和弓形折流板换热器作比较,它的传热性能也会有进一步的提升。
5 结语
结合上文可知,管壳式换热器传热效果的增强在未来经济发展中不容忽视,并且适应了国家节约能源、减少碳排放的政策。经过一系列技术改良创新,实现管壳式换热器传热性能的提升在未来有更为广阔的发展前景。
摘要：伴随着工业的发展,人们对换热器的功能要求也越来越多,例如换热流程完善、换热速度提升、提高资源的利用率、使生产成果最大化。在这当中管壳式换热器构造相对简单、使用便捷,现阶段被化工、石油、冶金、航空这些专业领域所青睐。下面文章就来探究一下最近时间管壳式换热器技术的进展情况:
关键词：管壳式换热器,强化传热技术,分析
参考文献
强化传热 篇7
1 设计方案
本实验双旋线结构两端采用固定方式支承, 在流体的作用下, 螺旋线产生整体的连续转动, 采用工程塑料制成, 其密度在1000kg/m3左右, 使其在流动液体中自转能够较好地浮动在传热管的中心部位。装置由两端固定架、铰链、双螺旋弹簧等零件构成, 两端固定架分别承插固定在传热管的两端, 外径小于传热管的内径, 其总长度基本等于传热管长度。双螺旋装置如图1所示, 端部为螺旋桨式, 使螺旋更容易起转。
2 数值模拟分析
(1) 认为管内流动为非稳态流动, 管程流动都在完全湍流区 (2) 流体为不可压缩流体 (3) 管内流动为三维流动 (4) 忽略管内流体质量力。
本次模拟采用内径15mm光管与内插外径13mm线径1mm螺距25mm的双螺旋管。定义壁面温度恒定为20℃。进出口为周期性边界条件, 弹簧边界条件用墙边界。利用有限体积法离散方程, 非耦合的非稳态隐式格式求解。采用标准κ-ε湍流模型计算模拟管内湍流时的流动情况。压力与速度的耦合计算采用SIMPLE方法, 对流项采用二阶迎风格式, 定义收敛条件为残差绝对值小于1×10-6。
如图2所示与光管相比内插双螺旋弹簧换热管, 流体主流沿轴向的速度梯度较大, 湍动程度大, 强化换热效果较好。
3 参数优化
在上述理论研究基础上, 对双旋弹簧装置进行参数优化。通过研究发现, 流体传热系数主要取决于弹簧的3个几何参数:线径、圈径及螺距。但根据以往研究, 同一螺距条件下, 换热管中置入不同外径和线径的弹簧, 传热系数差别很小, 因此这里外径为确定值13mm、线径1mm, 只考虑螺距的影响。
采用6种螺距进行数值模拟, 以光管做参照, 探究螺距对传热除垢的影响。以 (Nu/Nuo) / (ξ/ξo) 1/3作为强化传热综合性能评判准则。
由以上几图分析得:在同一流速下, 当弹簧螺距改变时, 传热系数具有较大变化, 螺距较小的换热管流体传热系数较大, 具有较好的传热性能;综合考虑, 弹簧2的综合性能最好。
4 结论
内插双螺旋弹簧结构对管壳式换热器的除垢及强化传热均具有较好的效果, 以 (Nu/Nuo) / (ξ/ξo) 1/3作为强化传热综合性能评判准则, 当弹簧螺距与自身外径近似相等时, 除垢、传热效果最好, 具有更高的工程实际指导应用价值。
摘要：主要介绍内插双螺旋弹簧在管壳式换热器防垢、除垢和强化传热中的应用, 研究了内插双螺旋弹簧对流体传热系数的影响, 并通过改变弹簧螺距对其结构参数进行优化。结果表明:与光管相比, 在Re=2000～9000的范围内, 双螺旋弹簧结构使换热器传热系数提高1.5～2.5倍, 并指出当双螺旋弹簧螺距与自身外径近似相等时除垢、传热效果最好。
强化传热 篇8
相变蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术, 可用于蓄积工业生产过程中产生的余热、废热。相变蓄热技术近几年来是世界范围内的研究热点, 在太阳能热发电领域, 电力的“移峰填谷”, 废热和余热的回收利用以及建筑节能等领域具有广泛的应用前景[3]。
1 相变材料的分类及特点
选择合适的相变材料是提高蓄热系统效率的关键。目前, 相变蓄热材料按其化学组成主要分为三大类:有机相变材料, 无机相变材料和复合相变材料;按其相态变化方式可分为固-固相变、固-液相变、气-液相变及气-固相变。不同的相变材料其特性也不尽相同。表现相变材料性能的主要指标是其热物性, 包括相变温度、导热性以及相变潜热。相变温度是选取相变材料的基本参考点, 根据实际需要有低温, 中温和高温相变材料可供选择。导热性和相变潜热也是重要的选择指标。一般情况下, 相变材料的相变潜热是不会改变的。相变潜热主要有固-固相变潜热和固-液相变潜热, 一般后者潜热值大。与气-固相变和气-液相变相比, 固-液相变释放的热量相对较少, 但相差不是很多, 而固-液相变的体积变化却比前两者小的多。因此固-液相变具有经济上的优势, 在相变储热系统中比较常用[4]。
性能优异的相变材料需满足以下特点[5]:相变潜热大, 相变体积变化小, 导热性能好以及相变温度和使用目标相匹配。除此之外, 相变材料还要具备无毒, 无害, 价廉易得, 化学性能稳定, 无过冷或过冷度小等性质。目前, 国内外研究的相变材料主要是熔融盐, 结晶水合物以及金属合金等无机相变材料和醋酸、多元醇、石蜡及高分子化合物的有机相变材料。石蜡因其具有储热密度大、熔点低、相变温度范围宽、性能稳定并且价格低廉等优点[6], 成为了众多学者的研究目标, 也是实际应用中被广泛采用的有机物相变材料。
但是这些单纯的有机或无机相变材料都有其各自的优缺点, 比如, 有机相变材料不易发生相分离及出现过冷现象, 腐蚀性较小, 相变潜热大, 但是其易出现泄露现象;无机相变材料虽然有较大的导热系数, 成本低, 但是其存在过冷、相分离及腐蚀性强等缺陷[7]。随着研究的深入, 复合相变材料得到了较快的发展。它不仅能够提高有机相变材料的导热系数, 增强其换热性能, 还能改善无机相变材料腐蚀性大的缺点, 拓展其应用范围, 从而进一步提高能源利用效率。
石墨具有较大的导热系数和稳定的化学性质, 与有机和无机相变蓄热材料有良好的相容性, 并且可以强化蓄热材料的导热性能。在众多的复合相变材料研究中, 学者们对石墨类和蓄热物质复合而成的相变材料进行了较为深入的研究。例如, 膨胀石墨/石蜡复合相变材料[8], 它不仅保持了石蜡和膨胀石墨各自本身的特性, 而且膨胀石墨的加入, 极大地提高了石蜡的导热性能;泡沫石墨/石蜡复合相变材料[9], 真空注入法是制备该种复合相变材料的有效方法。
2 石蜡基/碳素复合相变材料的强化传热研究
相变蓄热技术除了选取合适的相变材料外, 还要有能够增强传热换热性能的装置和系统。例如, 常见的良好有机相变材料-石蜡, 其本身导热性能较差, 固态石蜡导热系数为0.21W/ (m·K) , 液态石蜡的导热系数更低, 仅为0.12W/ (m·K) , 这个缺点限制了其广泛应用, 因此提高相变蓄热材料的传热性能就显得格外重要[10]。
相变材料的导热性能可以通过在相变材料中添加金属填料[11]、石墨烯[12,13]、碳纤维[14], 在封装壁面上安装肋片[15,16]以及进行胶囊封装[17,18,19,20]或将不同的相变材料进行组合[21]等方法来提高。又因为碳素材料, 例如膨胀石墨、泡沫石墨、碳纤维以及碳纳米管等具有高导热性, 多孔吸附性, 抗腐蚀性等特点使其应用较为广泛。
2.1 石蜡基/膨胀石墨粉复合相变材料
膨胀石墨粉是一种蠕虫状的多孔性物质, 结构如图1所述, 其导热性能及吸附性能强, 能与多种蓄热材料复合, 例如, 石蜡, 无机熔盐等。复合而成的相变材料不仅导热系数明显提高, 而且改善了相变材料易泄漏的缺点。国内学者孙凯[22]以及张正国, 王学泽等[23]用差示扫描热量分析 (DSC) 对石蜡和膨胀石墨组成的复合相变材料的热性能进行了表征。结果表明:上述复合相变储热材料的相变温度与石蜡相似, 其相变潜热与基于复合相变材料中石蜡含量的潜热计算值相当, 即纯石蜡的潜热值与复合相变材料中石蜡百分含量的乘积。复合相变材料储 (放) 热性能测试结果表明:含20%膨胀石墨的复合相变材料其储热时间比纯石蜡减少69.7%, 放热时间缩减80.2%。
国外学者Sari A和Karaipekli A等[24]对石蜡中添加膨胀石墨后对石蜡导热性能的影响进行研究。结果表明, 当石蜡中膨胀石墨的含量为10%时, 复合相变储热材料的导热系数为0.82 W/ (m·K) , 是纯石蜡导热系数的4倍。并且通过观察, 上述复合相变材料中, 膨胀石墨的质量分数为10%时具有很好的定型特性。另外, Xavier[25]在实验室中将石蜡/膨胀石墨复合相变材料的导热系数提高到70 W/ (m·K) , 极大提高了相变材料的传热性能。
2.2 石蜡基/泡沫石墨复合相变材料
泡沫石墨是一种新型的蜂窝状多孔碳材料, 其内部是由孔泡和孔泡壁相互连接成的三维网状结构。国内学者杨晟等[26]采用多次真空灌注工艺, 将熔点为35℃的石蜡完全吸附进入泡沫石墨的蜂窝状空隙中 (孔径为100um) , 从而制备出石蜡/泡沫石墨复合相变材料, 并对其热物性进行了测试分析。研究结果表明, 泡沫石墨的填充使得复合相变材料的蓄放热时间比纯石蜡的分别缩减了53.3%和65.6%, 而其相变潜热值与石蜡含量的相变潜热值相当。肖鑫等[9]采用真空注入法制备了石蜡/泡沫石墨复合相变材料, 并对其热物性进行了测试, 结果表明, 真空注入法制备得到的复合相变材料的有效导热率提高了近311倍, 且其相变点较纯石蜡无明显变化。
国外学者Wamei Lin等[27]对石墨泡沫的结构、性能以及其优缺点进行了总结, 石墨泡沫作为一种热交换材料, 其突出特点是高导热性、低密度和巨大的比表面积。还指出石墨泡沫与其他材料混合后有助于强化石墨泡沫的机械性能。
2.3 石蜡基/碳纤维复合相变材料
碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成德纤维状的碳化合物, 其具有良好的导热性能, 导热系数高达1000W/ (m·K) [28]。
外国学者Fukai等[29]对碳纤维添加到石蜡中后对其导热系数的影响进行了研究, 碳纤维在石蜡中的排列方式有两种, 一种是随机填充到石蜡中, 另一种是将碳纤维制成纤维刷, 然后再将纤维刷填充在石蜡中, 并使碳纤维的排列方向与热流方向一致, 这两种排列方式对碳纤维/石蜡复合相变材料导热系数的影响是不同的, 后者导热系数是前者的3倍。
Elgafy等[30]研究了平均外径为100nm的碳纳米纤维添加到相变温度为67℃的石蜡中对其导热系数的影响, 并建立了有效的导热系数模型。结果表明, 石蜡/碳纳米纤维复合相变储热材料的导热系数随着碳纳米纤维质量分数的增加而增加。在室温条件下, 当碳纳米纤维质量分数为4%时, 上述复合相变储热材料的导热系数为0.32W/ (m·K) 。
2.4 石蜡基/碳纳米管复合相变材料
碳纳米管密度小, 比表面积大, 具有高达3000W/ (m·K) 的导热系数[31], 王晓等[32]用多壁碳纳米管作为导热强化的填料, 制备了石蜡基纳米复合相变材料, 并对其相变特性和导热性能进行了测试。结果表明碳纳米管的添加对复合相变材料的相变温度无影响, 但是却使总相变焓随其质量分数的增加而减少, 当碳纳米管的质量分数是5%时, 总相变焓较纯石蜡下降了约15%。
马炳倩等[33]在石蜡中掺加了高导热的碳纳米管, 制备了石蜡基/碳纳米管复合相变材料, 并测试了其导热系数, 结果表明, 掺加10% (质量分数) 碳纳米管的复合材料, 其固态和液态导热系数平均分别提高了31.4%和40.2%;并且经过热循环后, 添加了2%和5%碳纳米管的复合相变材料, 其导热系数增量降低, 而添加10%碳纳米管的复合相变材料, 其导热系数则基本没有变化。
Wang等[34]也研究了多壁碳纳米管的加入对石蜡基复合相变材料导热系数的影响, 研究结果表明, 添加了2% (质量分数) 多壁碳纳米管的复合相变材料, 在其固态和液态下导热系数比纯石蜡分别数提高了35.0%和40.0%。
3 复合相变材料及蓄热技术的应用
3.1 石蜡基/碳素复合相变材料的应用
近年来, 静态爆破技术得到了长足的发展, 各种应用于静态爆破的材料也应运而生。石蜡/膨胀石墨复合相变材料的原材料具有价格低廉, 材料易得且可以重复利用, 与当前节能环保工程爆破的要求相符, 具有广阔的应用前景。而且, 石蜡/膨胀石墨复合相变材料相变过程可产生高达80Mpa的压力, 开发应用于静态爆破的石蜡/膨胀石墨复合相变材料驱动器, 将会带来巨大的社会效益和经济效益[35]。
Alva等[36]制备了膨胀石墨质量分数为35%的石蜡/膨胀石墨复合相变材料, 并将其应用到太阳能集热器中, 研究结果表明, 这可以显著改善集热器的蓄热性能, 并能够取代普通的储存箱。
杨晟等[37]利用石蜡正十八烷为相变储热材料, 在负压条件下将石蜡吸附到作为传热强化支撑物的泡沫石墨中, 从而制得了泡沫石墨/石蜡相变储热复合材料, 其可广泛应用到建筑物维护结构的内侧做相变储热隔热层, 在炎热的夏季和寒冷的冬季可以起到减小房屋内温度波动, 提高房间舒适度的作用。
3.2 复合相变材料及蓄热技术在其他方面的应用
相变蓄热技术广泛应用于建筑、环保、纺织、工业和农业等多领域, 已成为提高废热、余热回收效率的最有效的方式之一。
热蓄能相变材料在建筑物及储能箱中的应用中一直是相变材料应用研究的热点之一。王建平等[38]总结了相变微胶囊材料在建筑方面和纺织方面的应用。Koschenz M等[39]设计了一种只有5cm厚、含有石蜡相变材料的天花板, 并将其应用于办公室及工业建筑的保温板材中, 对其性能进行了模拟。并且通过实验测试验证了该系统的性能和在实际中进行了试点应用。Ismail等[40]通过实验和数值研究了相变窗帘的可行性。通过对填充空气和PCM的混合玻璃窗进行透射和反射的测试, 结果表明在保持了很好的透视性的前提下, 透过PCM玻璃窗帘的红外线和紫外线的量明显减少。
相变储热在温室的温度调节控制节能应用中也有重要意义。王宏丽等[41]分析了温室相变储热的各种相变材料和技术问题, 指出了建立温室储热系统的可行性, 其应用途径为墙体储热、地下储热和室内外联合储热。
Gumus M[42]研究了通过使用相变蓄热材料来削减内燃机冷启动时的废气排放。该研究设计了一个相变材料应用于内燃机预热的实验装置, 并对其进行了测试。测试结果表明, 在温度是2℃和1个大气压的初始条件下, 该热能储存系统的储、放热时间分别是500s和600s, 并且通过预热, 内燃机的温度平均能升到17.4℃, 从而内燃机的CO和HC的排放量分别减少了64%和15%。
4 结论
(1) 石蜡作为一种蓄热性能优良的相变材料, 其具有相变焓高、相变温度范围广及价格低等优点, 有重要的研究价值及广阔的应用前景。
(2) 膨胀石墨、泡沫石墨、碳纤维以及碳纳米管等碳素材料都具有高导热、高空隙率和巨大的比表面积等优点, 因此成为了增强相变蓄热材料导热性能的优良填料, 也是现在众多学者的研究热点。
(3) 石蜡与碳素材料的复合后展现出了优良特性, 我们可以通过努力, 进一步提高其热性能, 降低制备成本, 尽早运用到实际生活中。
(4) 相变材料因其优良的储能节能特点, 已在多个领域得到使用, 尤其在环保节能领域, 通过回收各种热能, 减少能源消耗, 从而降低因使用能源而产生的环境污染物的总量。
摘要：在化石能源紧缺, 工业余热废热回收利用率急需提高的情况下, 研究可以提高蓄热效率的新材料新技术就显的尤为重要。对石蜡基/碳素复合相变材料 (PCM) 的强化传热与蓄热技术的研究进展进行了总结和评价, 包括石蜡基相变材料的热物性及其特点, 相变蓄热技术的特点及强化传热等方面。最后对相变蓄热技术的应用现状和前景进行了归纳和总结。
相关文章：
强化缓冲算子的性质与若干强化算子的构造02-27
强化衔接02-27
强化路径02-27
强化知识02-27
全国省区市党委组织部办公室主任会议交流材料-突出重点,强化责任,努力做好新形势下组织部门的信访02-27
强化语感02-27
强化策略02-27
理念强化02-27
电流强化02-27
