冷卻器強(qiáng)化傳熱研究進(jìn)展如何?

冷卻器強(qiáng)化傳熱研究進(jìn)展如何?

冷卻器的強(qiáng)化傳熱就是力求使冷卻器在單位時(shí)間內(nèi)，單位傳熱面積傳遞的熱量達(dá)到最多。應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)的目的是力圖以最經(jīng)濟(jì)(體積小、重量輕、成本低)的冷卻器來(lái)傳遞規(guī)定的熱量|1，這就要求所研制的冷卻器，盡可能地節(jié)省資金、能源和減少金屬消耗及所占的空間。目前高效能管殼式冷卻器的研究主要集中在強(qiáng)化管程和殼程2方面，且以實(shí)驗(yàn)研究方法為主。

1管程強(qiáng)化傳熱強(qiáng)化管殼式冷卻器管程的傳熱，主要是通過(guò)增加流體湍流度、擴(kuò)展傳熱面積和提高流體流速等方法實(shí)現(xiàn)，即在內(nèi)表面加工凸肋或翅片結(jié)構(gòu)、在管內(nèi)加插入物以及提高流速。

凸肋結(jié)構(gòu)。這類傳熱元件主要是通過(guò)在傳熱管的內(nèi)表面機(jī)械加工出凸肋，以增強(qiáng)流體的湍動(dòng)強(qiáng)度，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的是螺旋槽管、橫紋管和波紋管。螺旋槽管的內(nèi)表面有螺旋槽凸肋，其外表面有螺旋槽。流體流經(jīng)這些螺旋槽凸肋時(shí)產(chǎn)生擾動(dòng)，減薄了管壁表面層流底層的厚度，提高了管程對(duì)流換熱系數(shù)，同時(shí)螺旋槽凸肋能使部分順壁面軸向流動(dòng)的流體產(chǎn)生軸向漩渦而引起邊界層分離，使傳熱熱阻減小。螺旋槽管可用于強(qiáng)化管內(nèi)單相流體的傳熱和相變傳熱123.橫紋管的外壁上有沿軸向間隔的環(huán)形槽，內(nèi)壁由于外壁環(huán)形槽向內(nèi)擴(kuò)展而出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的環(huán)狀凸出，使沿內(nèi)管壁流動(dòng)的流體產(chǎn)生邊界層分離流，促進(jìn)了流體的紊流強(qiáng)度，增加了流體邊界層的擾動(dòng)，從而強(qiáng)化了管內(nèi)的傳熱。

它可用于管內(nèi)單相及相變傳熱強(qiáng)化。在單相傳熱過(guò)程中，相同條件下，壓降較螺旋槽管小141.波紋管的外形像糖葫蘆一樣，管內(nèi)流體在低流速的情況下呈湍流狀態(tài)，可用于管內(nèi)單相流體的傳熱強(qiáng)化15.翅片結(jié)構(gòu)。這類傳熱元件主要是在傳熱管內(nèi)表面通過(guò)機(jī)械加工出內(nèi)翅片，以增加傳熱管的傳熱面積，同時(shí)還能使流體在較低流速下達(dá)到紊流。目前主要有二維和三維內(nèi)翅片管。它們也能顯著地強(qiáng)化管內(nèi)單相及相變傳熱1671.插入物。在低雷諾數(shù)或高粘度流體傳熱工況下，管內(nèi)插件對(duì)強(qiáng)化氣體、低雷諾數(shù)流體或高粘度流體的傳熱會(huì)起到較好的效果。管內(nèi)插件的形式可大致分為3類：強(qiáng)化旋流，如紐帶和半紐帶形式;促進(jìn)湍流，如螺旋線、片條、斜環(huán)片等形式;置換型強(qiáng)化器，包括靜態(tài)混合器、交叉鋸齒帶、球形體等形式。但是采用管內(nèi)插入物強(qiáng)化傳熱時(shí)，存在流動(dòng)壓降變大，易產(chǎn)生污垢等缺點(diǎn)。因此，這種方法研究的關(guān)鍵是要找出一種既可提高傳熱系數(shù)，而壓強(qiáng)增加又不大的內(nèi)插物18提高流體的流速法。提高流速實(shí)質(zhì)就是增加流動(dòng)湍流度，這種方法最為簡(jiǎn)單直觀，但是流動(dòng)壓降與流速的平方成正比例的關(guān)系，因此采用流速的提高也是有限度的。

殼程強(qiáng)化傳熱強(qiáng)化冷卻器殼程傳熱的方法包括改變傳熱管外表面結(jié)構(gòu)和管間支撐結(jié)構(gòu)。傳熱管外表面的改變主要是在其外表面上加工出溝槽和翅片。

管外傳熱強(qiáng)化。外表面有溝槽的傳熱管主要包括螺旋槽管和橫紋管。螺旋槽管和橫紋管對(duì)管外蒸汽冷凝，強(qiáng)化效果明顯，主要機(jī)理是溝槽使液膜和氣膜層產(chǎn)生旋流，破壞了氣膜層的穩(wěn)定。同時(shí)，冷凝液在槽內(nèi)由于重力分力和表面張力作用在氣液相界面剪切力的作用下使冷凝液迅速流向溝槽，從而減薄了液膜的邊界層厚度1101.外翅片管能有效地?cái)U(kuò)展換熱面積，均可用于單相及冷凝傳熱強(qiáng)化1111.管間支撐結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的管殼式冷卻器大多采用弓形隔板支撐，流體在殼程呈“Z”形流動(dòng)，在隔板和管壁相連處存在流動(dòng)死區(qū)，傳熱系數(shù)下降，壓力的損失較大;在隔板與殼體或(和)管之間旁路流和泄漏流現(xiàn)象嚴(yán)重而降低流體的有效質(zhì)量流速。為了克服以上缺點(diǎn)和改善流體在殼程的傳熱性能，出現(xiàn)了一些新的管間支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)前比較優(yōu)越的管間支撐結(jié)構(gòu)形式主要有折流桿、螺旋扁管自支撐和螺旋隔板。

折流桿冷卻器是一種以折流桿代替折流板的冷卻器。每一折流桿單元主要包括支撐桿、折流環(huán)交叉支撐拉桿、分隔板和縱向滑動(dòng)桿。支撐桿桿端均焊接在折流圓環(huán)上，折流桿組由4種不同布置方式的折流桿構(gòu)成，并由支撐桿建立無(wú)阻礙的流道，形成以縱向?yàn)橹鞯牧魍▍^(qū)，因而有良好的熱力一水力性能。因殼程具有與管程流動(dòng)基本相同的對(duì)流傳熱機(jī)理，加上支撐桿形成的渦流流動(dòng)和折流環(huán)區(qū)的文丘里效應(yīng)，所以熱力性能優(yōu)異;又因殼程不存在橫向流通的阻力，也無(wú)來(lái)回流動(dòng)的反向效應(yīng)，故其殼程壓降也較低。折流桿冷卻器可應(yīng)用于單相、沸騰和冷凝等各種另一種縱向流的螺旋扁管冷卻器，由圓管軋制或橢圓管扭曲成具有一定導(dǎo)程的螺旋扁管組成，其殼程內(nèi)相鄰管長(zhǎng)軸處的點(diǎn)接觸支承管子。殼程流體受離心力作用而周期性改變流速和流動(dòng)方向，加強(qiáng)了流體的軸向混合。同時(shí)，流體經(jīng)過(guò)相鄰管子的螺旋線接觸點(diǎn)后形成脫離管壁的尾流，增加了流體自身強(qiáng)化傳熱。螺旋扁管冷卻器也可應(yīng)用于單相、沸騰和冷凝各種工況1131.縱向流型冷卻器的缺點(diǎn)是因殼程流速的限制而影響傳熱性能的進(jìn)一步提高，為此，ABB公司開(kāi)發(fā)出了最為優(yōu)越的螺旋隔板冷卻器。其設(shè)計(jì)原理是：將圓截面的特制板安裝在虛擬螺旋折流系統(tǒng)中，每塊折流板占冷卻器殼程中橫剖面的1/4傾角朝向冷卻器的軸線，與冷卻器軸線保持一傾斜度，這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)避免了流體的流動(dòng)死區(qū)和返混，大大的提高了冷卻器的換熱效率。螺旋隔板冷卻器的主要優(yōu)點(diǎn)是介質(zhì)在殼體內(nèi)連續(xù)平穩(wěn)螺旋流動(dòng)，避免了橫向折流產(chǎn)生的嚴(yán)重壓力損失;殼程內(nèi)流體螺旋前進(jìn)，在徑向截面上產(chǎn)生速度梯度，形成徑向湍流，使換熱管表面滯留底層減薄，有利于提高膜傳熱系數(shù);不存在死區(qū)，可減少污垢沉積。目前對(duì)螺旋隔板冷卻器的傳熱性能的研究綜合起來(lái)主要包括2個(gè)方面：流體動(dòng)力學(xué)研究和傳熱與壓降性能研究。

流體動(dòng)力學(xué)研究。王承陽(yáng)等對(duì)螺旋隔板冷卻器進(jìn)行了冷態(tài)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，在弓形隔板冷卻器中觀察到流體呈“Z形流動(dòng)，碎屑在弓形隔板的根部打轉(zhuǎn)，并有聚集成團(tuán)的趨勢(shì)，表明存在死區(qū)和返混;在螺旋隔板冷卻器中清楚地觀察到流場(chǎng)呈螺旋形，沒(méi)有像弓形隔板那樣明顯的死區(qū)和返混混現(xiàn)象。

同時(shí)，還對(duì)弓形隔板冷卻器和螺旋隔板冷卻器的壓降進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在流量相同的條件下，螺旋隔板冷卻器的總壓降降低了20%左右|141.王樹(shù)立等對(duì)30°35°40°42°45°和50°共6種螺旋角的冷卻器進(jìn)行流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，隨著螺旋角的減小，切向速度分量增大，脈動(dòng)速度也相應(yīng)增大，有利于換熱，但螺旋角減小，流動(dòng)損失也隨之增加;流量增加使速度沿徑向分布趨于均勻1151.DKRAL等對(duì)螺旋隔板冷卻器的流體動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果顯示，螺旋隔板冷卻器的返混區(qū)和死區(qū)最小;此外，還研究了不同螺旋角的冷卻器的換熱效率與流阻的關(guān)系，結(jié)論是隨著螺旋角的增大，特別是在25°~40°換熱效能增加，在螺旋角為40°時(shí)，傳熱與流阻性能達(dá)到最優(yōu)，超過(guò)這個(gè)角度則傳熱與流阻性能降低1161.傳熱與壓降性能研究。陳世醒等對(duì)高粘度流體(重油一水換熱)在螺旋隔板冷卻器和普通弓形隔板冷卻器的傳熱和流阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，相同流量下螺旋隔板冷卻器殼程的a/AP是普通弓形隔板冷卻器的1.5倍左右|171.此外，張克錚的湍流度破壞了流體在管壁上的傳熱邊界層從而Hshfg對(duì)低粘度流體體(水一水換熱)的傳熱和流阻中試實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，相同流量下螺旋隔板冷卻器殼程的a/AP是普通弓形隔板冷卻器的2 4倍左右I時(shí)，特別是螺旋角在25°~40°范圍內(nèi)，換熱效率隨著螺旋角的增加而增加，當(dāng)超過(guò)40°時(shí)，換熱效率迅速下降。同時(shí)，還對(duì)弓形隔板光滑管冷卻器、弓形隔板低肋管冷卻器以及螺旋隔板低肋管冷卻器的傳熱和流阻性能進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。冷凝器實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的換熱面積條件下，弓形隔板低肋管冷卻器的換熱量是弓形隔板光滑管冷卻器的1. 5倍，而螺旋隔板低肋管冷卻器的換熱量是弓形隔板光滑管冷卻器的1.63倍，弓形隔板低肋管冷卻器和螺旋隔板低肋管冷卻器的壓降均是弓形隔板光滑管冷卻器的1.49倍1191.張正國(guó)等對(duì)螺旋隔板花瓣管和螺旋隔板低肋管潤(rùn)滑油冷卻器的傳熱和壓降性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，結(jié)果表明，在相同油體積流量下，螺旋隔板花瓣管油冷卻器的總傳熱系數(shù)比螺旋隔板低肋管油冷卻器提高10%以上，同時(shí)壓降也降低46%左右。相同油壓降下，螺旋隔板花瓣管油冷卻器的總傳熱系數(shù)是目前常用的普通弓形隔板光滑管潤(rùn)滑油冷卻器的4~5倍1201. 3研究方向目前冷卻器的傳統(tǒng)研究主要是實(shí)驗(yàn)方法，但對(duì)新型管束支撐結(jié)構(gòu)的冷卻器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，用實(shí)驗(yàn)方法根本無(wú)法從微觀上看到結(jié)構(gòu)對(duì)流體流動(dòng)和傳熱的影響。因此，雖然實(shí)驗(yàn)研究直觀、真實(shí)、可靠，但受實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、結(jié)構(gòu)參數(shù)、測(cè)量精度、實(shí)驗(yàn)周期及費(fèi)用等因素影響，冷卻器性能的完善和新型結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)受到制約。詳細(xì)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)冷卻器流體的流動(dòng)和傳熱特性，對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)可靠的冷卻器以及評(píng)價(jià)現(xiàn)有管殼式冷卻器的性能十分必要。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的冷卻器，流動(dòng)和傳熱的影響因素很多，流動(dòng)形態(tài)也很復(fù)雜，因而數(shù)值模擬的研究方法無(wú)疑為經(jīng)濟(jì)、安全地設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和改造冷卻器提供了一種強(qiáng)有力的手段。

在數(shù)值模擬過(guò)程中，為了省卻科研工作者在計(jì)算方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)、低效的勞動(dòng)，以便將主要精力和智慧用于物理問(wèn)題本身的探索上，國(guó)外已開(kāi)發(fā)出PH(NICSFL：W3DA-SYS和FLENT等大型通用CF軟件，這些軟件之理工具，能夠很好解決一維、二維、三維及層流或湍流、單相或多相、穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的傳熱和流體流動(dòng)問(wèn)題，對(duì)每一種物理問(wèn)題的流動(dòng)特點(diǎn)，都有適合它的數(shù)值解法，用戶可對(duì)顯式或隱式差分格式進(jìn)行選擇，以期在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳。

運(yùn)用CID技術(shù)對(duì)管殼式冷卻器的殼程流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬不僅可節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)操作和費(fèi)用，模擬的結(jié)果還可指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，并且可完成實(shí)驗(yàn)尚不能完成的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析，從而為殼程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。