强化传热.doc

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1、- 8 -强化传热的方法技术原理应用及展望院系：航空航天工程学部专业：热能与动力工程班级：14040201班姓名：郭庆学号：2011040402011指导教师：寇志海完成日期：2014年06月01号摘 要- 2 -一、强化传热的方法及原理- 2 -1、增大传热温差- 3 -2、扩大换热面积- 3 -3、提高传热系数- 3 -二、强化传热技术的分类- 4 -1、无功技术- 4 -2、有功技术- 5 -三、强化传热的应用- 6 -1、强化传热在发电厂的应用- 6 -1. 1、冷凝器(凝汽器)- 6 -1. 2、油水换热器- 7 -1. 3、高压加热器- 7 -四、 强化传热的展望- 7 -致老师的

2、话- 8 -摘 要 在20世纪60年代以前，对传热过程的研究重点集中揭示基本传递现象的规律。70年代的能源危机促进了强化传热技术的研究和发展。随着人类社会进入21世纪，传热学得到了飞速的发展。在现代科学技术的许多领域，如能源与动力、冶金与化工、材料与制冷、航空航天以及电子核能等，都涉及到加热、冷却和热量传递等问题。可以这样说，在我们的生活中只要有热的存在，都有传热问题。换热器是传热与换热中不可缺少的工艺设备，而且在金属消耗和投资方面也占有较大的比例。目前，能源危机越来越突出，能源的利用率是当前最为迫切的问题，开发新能源及余热回收显得特别重要。而在这些工作中，通常都要求采用有效的强化传热措施，以

3、提高传热量来减小换热器的体积和重量，提高热的利用率。可以说，研究各种传热过程的强化问题，设计新颖的紧凑式换热器，不仅是现代工业发展过程中必须解决的课题，同时也是开发新能源和开展节能工作的紧迫任务。传热学的目的是研究热传播速率的问题，而强化传热研究的主要任务是改善、提高热传播的速率和效率，以达到用最经济的设备来传递规定的热量，或是用最有效的冷却来保护高温部件的安全运行，或是用最高的热效率来实现能源合理利用的目的。不同场合对于强化传热的具体要求各不相同，但归纳起来应用强化传热技术可达到下列任一目的：I、减小换热器的传热面积，以减小换热体积和重量；II、提高现有换热器的换热能力；III、使换热器能在

4、较低温差下工作；IV、减少换热器的阻力，以减少换热器的动力消耗。上述目的和要求是相互制约的，要同时达到这些目的是不可能的。因此，在采用强化传热技术前，必须首先明确要达到的主要目的和任务，以及为达到这一目的所能提供的现有条件，然后通过选择比较，才能确定一种合适的强化传热技术。一、强化传热的方法及原理在传热中，单位时间内的换热量Q与冷热流体的温度差t及传热面积A成正比，即Q=KAt式中，K为传热系数，是反映传热强弱的指标。从上式可以看出，增大传热量可以通过提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差3种途径来实现。1、增大传热温差增大传热温差的方法有两种：I、提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度

5、；II、是通过传热面的布置来提高传热温差。当传热面的布置使冷热流体同向流动时，其平均温差最小，当传热面布置成两种流体相互逆向流动时，其平均温差最大。增大传热温差经常受到生产工艺、设备条件、环境条件以及经济性等方面的限制。例如生产中被加热物料的温度是由生产工艺确定的，不能随意改变。加热或冷却物料的工质温度，虽然有一定的调整范围，但也不是任意的。采用逆流布置时，冷热流体的最高温度发生在换热器的同一端，使得该处的壁温特别高，对于高温换热器则受到材料高温强度的限制。2、扩大换热面积扩大换热面积是增加传热量的一种有效途径。扩大传热面积以强化传热，并不是简单地通过增大设备体积来扩大传热面积，而是通过传热面

6、结构的改进来增大单位体积内的传热面积，从而使得换热器高效而紧凑。采用扩展表面传热面是提高单位体积内传热面积最常用的方法。扩展表面传热已有多种形式，如肋片管、螺纹管、板肋式传热面等。采用小直径的管子，并实行密集布管，也可以提高单位体积内的传热面积，而且由于管径越小耐压越高，因此还可以使单位传热面积的金属消耗量降低。3、提高传热系数提高传热系数是增加传热量的重要途径，也是当前强化传热研究工作的重点内容。在换热器的管子壁厚比较小且没有结垢的情况下，换热器稳定运行时的传热系数K可由下式近似计算：式中：1热流体与管子壁面之间的换热系数；2冷流体与管子壁面之间的换热系数；管壁的厚度；管材的导热系数。对于金

7、属传热管，由于导热系数很大，管壁厚度很小，上式中/这一项常可忽略不计，这时传热系数的计算式为：由上式可以看出，提高K值可以通过提高1和2来实现。同时当1和2相差较大时，K值主要由较小的那个换热系数决定，这表明提高较小的那个换热系数对强化传热是十分有利的。二、强化传热技术的分类上述强化传热的3种途径,即3种强化传热方法。若从强化的传热过程来分，可分为导热过程的强化、单相对流传热过程的强化、沸腾传热过程的强化、凝结传热过程的强化和辐射传热过程的强化。从提高传热系数的各种强化传热技术来分，可分为有功技术和无功技术，也将其称为有源强化技术和无源强化技术，主动式强化技术和被动式强化技术。1、无功技术除了

8、输送传热介质的功率消耗外，不再需要附加动力。处理表面：对传热表面进行机械加工或涂层。例如开槽、碾压、滚花、轧制、模压、焊接、烧结、沉积以及喷涂等，以形成凹陷、空穴，其粗糙高度低于影响单相传热所需的高度。粗糙表面。包括从随即的砂粒型粗糙度到不连续的突起物等许多构造形式所构成的粗糙表面。在这种管内，流体的流动阻力和换热系数决定于粗糙元的高度和稀密程度。当粗糙元高度低于层流底层厚度时，粗糙元完全浸没在层流底层内，它的流动阻力和换热系数和光滑管相同。只有粗糙元突出在层流底层外面，才开始对流体的运动产生扰动作用，高出越多，扰动作用越强，换热系数因此而增大，流动阻力也相应增加。扩展表面：包括管内和管外的扩

9、展表面，如管外翅片、凹凸不平、开槽、百叶窗式肋片和内肋管，通过扩大传热面积来减小对流传热热阻，从而达到强化传热的目的。扰流元件。包括轧槽管、针肋、螺旋肋、重复肋和沟槽。当流体流过这些装置时，将会产生流动脱离区而形成强度不同、大小不等的漩涡。这些漩涡改了流体的流动结构，增强了近壁区的流体湍流度，从而提高了对流换热系数。涡流装置：为了提高管内层流状态下的换热系数，可在管内插入金属网、扭曲带、静态混合器、环、盘等元件,使流体产生径向流动，加强流体的混合，促进管内流体速度和温度分布的均匀性，因而可使换热系数提高。添加物：液流中的添加物，包括单相流中的固体颗粒和气泡，以及沸腾系统中的微量液体添加物。气体

10、中的添加物有液滴或固体颗粒。射流冲击：流体通过圆形或狭缝形喷嘴直接喷射到固体表面进行冷却或加热的方法。由于流体直接冲击固体壁面，流程短而边界层薄,所以其换热系数比一般的管内流动要高好多。2、有功技术需要应用外部能量来达到强化传热的目的。机械搅动：各种型式的搅拌器在对流换热主动式强化技术中应用最为广泛，它是利用机械传动带动搅拌器，促使高粘度流体很好地混合，从而增强流体与加热器或冷却器之间的对流传热。常用的搅拌器有螺旋式、叶片式和锚式，前两种用于粘度较小液体，锚式主要用于高粘度液体。表面振动和流体振动。表面振动最直接的方法是用电力振动器，也有的用电机带动偏心轮装置来实现。这种方法在工程中是较难实现

11、的，因为换热设备质量大，振动起来也易损坏。于是又提出另外一种方法，即流体振动。流体的振动可用流动间断器或电压转换器来实现，振动频率可以从1 Hz到106Hz。电磁场：由于电场中电荷运动与流体速度场偶合而引起的现象，可以显著地改变流体的运动规律，并加强流体混合，因而可使传热增强。喷注：包括通过多孔的换热表面向流动液体中喷注气体，或在换热段的上游喷注类似的液体。在表面上去除液体中的气体的过程，也能产生与喷注类似的强化效果。抽吸：包括在泡态沸腾或膜态沸腾中通过多孔的加热表面除去蒸汽，或在单相流中通过多孔的加热表面排出液体。此外，还有所谓的复合强化技术，即将两种或两种以上的强化措施同时应用。例如粗糙管

12、内或螺旋管内再加热扭曲带等插入物，在含有插入物的管内或内翅管中，放进传热流体的添加物、粗糙管壁面有流体质量透过等等，以期获得更好的强化传热效果。三、强化传热的应用上述强化传热方法技术，有的只适用于特定的某些传热介质和传热过程，有的则对所有对流换热状态都有不同程度的强化作用。例如，各种处理表面对于沸腾和凝结传热都有很好的强化作用，但对于单相介质，却由于扰动作用过小而对流动及传热不起作用；各类粗糙表面，由于边界层的破坏可以大幅度地提高湍流状态下的换热程度，而在层流状态下却因热阻并不集中于近壁层中，因此只有螺旋型粗糙元才能使流体产生旋流而对传热过程起一定的强化作用；螺旋管、涡流发生器和机械搅动等，对

13、于层流换热都有显著的增强作用，但对湍流换热系数的提高却收效不大；强电场的存在，不仅可以增强单相介质的层流换热，而且对于增强凝结和沸腾状态下的传热也有明显的作用；各种不同形状的扰流子和扩展表面，对于无相变和有相变的换热过程都有一定的强化作用，其中扩展表面尤其适合于气体换热装置。1、强化传热在发电厂的应用发电厂的大型化发展和其他工业的发展使辅机换热器冷却水受污染的情况日益严重，由辅机换热器(重油预热器、冷凝器、油水换热器、低压加热器、高压加热器和水-水换热器)冷却水管受腐蚀损坏而引起的电站停机事故时有发生，所造成的直接、间接经济损失越来越大，不仅会带来巨大经济损失，而且直接危害着本体设备(锅炉、汽

14、轮机等)的安全可靠性。1. 1、冷凝器(凝汽器)过去凝汽器设备的造价仅是汽轮机的1/4，近年来凝汽器大型化和防腐蚀的需要使换热器造价已经达到汽轮机的1/2，改善换热设备经济性的意义越来越大。提高换热器经济性的重要途径是采用传热强化技术。例如，以异型管代替光管可提高凝汽器的传热系数；此外，由于冷凝效果好，从而可降低汽轮机背压(提高凝汽器真空度)，提高机组出力，实现节能目标。在美国针对凝汽器的技术改造较早研制开发了螺旋槽管，前苏联则针对采暖的热网加热器研究开发了横纹管。大量的传热流体力学与机械性能研究均表明，横纹槽管综合性能不仅优于传统光管，而且优于螺旋槽管。近年来，横纹槽管在一些小机组凝汽器上获

15、得成功的应用，如1987年在深圳某电厂冷凝器上应用了此项技术，其总传热系数较光管提高30%42%，节省换热面积23%30%，用户反映凝汽器真空度”极好“，冷凝器还有潜力，管内也比较干净。1. 2、油水换热器在发电系统中，油水换热器主要用于汽轮机和大型水泵轴承的冷却。法国已把原联邦德国W ielandWorke公司的低肋管技术用于大容量电站油冷却器。铜镍合金(B30)低肋管小管束油水换热器的试验结果表明，其总传热系数是光管的1. 59倍，可相应节省换热面积37%，或在等面积下提高润滑油的冷却效果或减少冷却水的消耗量，大大地提高了油冷却器性能。1. 3、高压加热器高压加热器实质上是一种提高锅炉热效

16、率的锅炉给水预热器，它是电站除凝汽器之外的第二大换热设备。其筒体内密集地布满铜质U形管，不仅换热面积大、耗材多，而且由于胀口多和管内外操作压差大，时有泄漏现象发生，因此不仅降低了锅炉效率而且也给电站安全稳定运行带来了麻烦。某发电厂为了改进高压加热器的管板焊接性能，用强化传热钢管取代普通铜管，保留原壳体。普通钢管的导热性能比铜管低，根据长期的工作经验研制开发了一种新的强化传热技术，即具有大螺距外翅的整体型内螺旋翅片管。它是利用管内多头内螺旋翅片增大内表面积，使被预热的水在管内产生螺旋流和边界层分离流，从而使传热得到强化，同时利用管外大螺距外翅片使冷凝水的表面张力在翅峰和翅底之间产生一定压力梯度，

17、减薄了冷凝水膜的厚度，强化了蒸汽冷凝侧的传热。这样，强化钢管性能不比铜管差，既解决了铜管的焊接问题，又节省了资金。四、 强化传热的展望近几年来，随着强化传热技术研究的不断成熟和深入，尤其是换热器的不断发展与革新。强化传热技术的应用领域逐渐扩大，目前已广泛应用于工业、民用和国防等各个领域。在冶金、化学、陶瓷、建材及轻工等工业生产中，常需要500以上的清洁空气以满足助燃、干燥和供氧等需要，采用强化传热技术所制造的传热器可以轻易地达到这一要求，并且从根本上解决常规空气加热器所无法解决的传热难题。在未来的传热发展中，强化传热技术将向更为微观得领域发展。对强化传热的研究与分析将更加细微，很可能将迈向的分

18、子、原子。强化传热技术的应用也将更加广泛，在航空领域的微型飞行器、航天领域的微型微型、以及医疗卫生领域的微型机器人等。这就要求传热的机器经更加微小，这样散热的表面面积也就有一定的限制，只有从改善材料的传热系数、增加温差来强化传热。新型材料的开发与研制将是传热乃至整个工业的又一次革命。致老师的话传热学这门课程虽然是一门考查课，但经过一学期的传热学学习，让我觉得这门学科对我们来说太重要，尤其是对我们这些以后可能从事内燃机行业的学生。无论是考研还是以后出来工作，热学问题将是我们一直打交道的问题，因此在以后生活和学习中，我将继续加强热学的学习。作为本专业的学科基础课，寇老师一学期诙谐幽默的授课方式和深入浅出的教学方法让我收获颇多，在此感谢寇老师一学期的辛勤劳动和认真付出，我会加倍努力，在大学接下来的一年时光里继续学习专业知识，为今后的考研和就业提供智力支持和有力保障。