内螺纹扭曲管强化传热及流阻特性分析及工程应用

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1、内螺纹扭曲管强化传热及流阻特性分析及工程应用第1章绪论1.1前言在哥本哈根会议的背景下，温家宝总理在2010年3月5日的《政府工作报告中》发出了大力幵发低碳技术，推广高效节能技术，积极发展新能源和可再生能源；努力建设以低碳排放为特征的低碳产业体系和销售模式的号召，指出了我们在今后的发展中应该怎么做。高能耗、高污染、高排放的粗放发展模式向低碳、绿色、高效经济的转化势在必行⑴。近年来能源短缺和浪费等问题日益显现，重视新能源的开发和能源消耗的节约已经成为一种趋势，特别是《国民经济和社会发展第十一个五年

2、规划纲要》支出十一五期间国内生产总值能耗要降低20%的目标[2]后，高效利用能源，幵发推广新型节能技术得到了前所未有的发展，性能高效的换热设备为新型高效节能技术的一种。国民经济的各工业部门，如石油、化工、动力、冶金、电子、航空航天、轻工和交通运输等工业中，广泛存在着加热、冷却、蒸傾、供暖等各种传热过程，保证其换热设备能够在高的热效率下安全运行并足够长的寿命已经被企业重视起来[3]。据统计在一般的石油化学工业中，换热器的投资要占全部投资的40%?50%，在现代石油化学工业中换热器的投资约占30%?

3、40%，在热电厂中，如果将锅炉也作为换热设备，则换热器的投资约占整个电厂中投资的70%左右，在动力消耗方面，以车辆为例，车辆冷却系统所消耗的功率要占发动机输出功率的3%-15%。在制冷机中冷凝器的质量要占总质量的30%-40%。以氟利昂为制冷剂的现代水冷机组制冷机中，冷凝器和凝结器的质量约占总质量的70%，而其中超过85%的换热器是传统的折流板管壳式换热器。该管壳程换热器的壳程设有折流板，主要作用为支撑换热管和引导壳程的流体沿着垂直于换热管方向上与换热管作错流。该结构会造成流体的动能全部损耗，所

4、用流体的流动动力来自于流体压力势能，水栗传递给壳程流体很大部分能量被损耗，同时此结构支撑板与换热管之间存在缝隙，在流体错流时会发生漏流。流体流过折流板后会在背向流体来流方向的一面产生流动死区和局部的循环，该部分液体并没有参与换热或产生一个较大热阻层，影响传热效果。在错流区流体流动方向与换热管向垂直，在很小流速下换热管发生剧烈振动，换热管与支撑板之间有着很大磨损，很大程度上影响了换热管的寿命针对以上问题，实际工程应用对换热器的设计提出以下三个主要问题：a.设计换热器能够达到强化传热和防止振动；b.

5、提高传热效果又能减少能耗或不以能耗为代价：C.能够减小换热器的结构尺寸同时降低设备运行和维护费用。为了提高换热器效率、节约原材料以及减少能源消耗，各种强化传热技术在换热器中得到了广泛的应用。其中应用最为广泛的强化传热技术是通过改变传热面的形状以及在传热面上或传热管内设置各种形状插入物。扭曲管换热器在管束中不设折流板，依靠扭曲管外缘保持螺旋线紧密接触来相互支撑。扭曲管紧密接触排列在管间形成了螺旋形流道扭曲管两端依旧保持为圆管结构，以便和换热器的管板装配。扭曲管对于管程和壳程的流体均有一定的强化传热

6、效果[7]。扭曲管的特殊排列结构可以使壳程横截面沿管束发生周期性的纵向变化，从而使得壳程流体在沿螺旋扭曲的换热管外壁纵向流动的同时，还产生了复杂的以旋转和混合为主要特点的强烈扰动，因此较大程度地强化了壳程流体的传热；而其管程流体在管内也做螺旋形流动，从而提高了流体的瑞流程度，减薄了边界层，强化了管内流体传热[8]。和传统的圆管换热器相比，扭曲管换热器对于提高换热效率，节约能源有重要意义。1.2强化传热强化换热器Bergles认为传热强化技术的发展主要经历了以下四个阶段第一阶段强化传热技术是换热表

7、面为光滑的，且流经光滑表面的流体除受重力之外没有受到其他体积力的影响。此时的技术仅仅是为了满足实际生产的需要，而传热并没有得到强化。第二代传热技术指对换热管表面进行在加工如处理表面，以便达到表面粗糙以及表面扩展[12]等效果。第三代传热技术指在流体的流动通道中设置绕流物、滿流发生器以及各种异形管[I5]以达到强化传热的目的。第四代传热技术指把两种或者两种以上的强化传热技术综合jii用在一起，如受到静电场作用的流体流过祸流发生器，在扭曲带上设置粗糖元等，本实验所用的带有内螺纹的扭曲管就属于第四代强

8、化传热技术。这四代强化传热方法的发展正是人们对传热机理和流动形式不断认识和深入研究而不断发展起来的。强化传热技术在换热器上的应用主要体现在以最经济(体积小、质量小、成本低)的设备来满足热量要求，或是采用有效的方式来冷却高温部件，使其在安全可靠的工况下运行。对换热器设备研究集中体现在两大方向上是换热器的管程采用各种强化型高效传热管(如螺旋槽纹管、横纹管、波纹管、缩放管、翅片管及各种管件插入物等）取代原来的普通金属光滑管；二是换热器的壳程新型支撑结构（如折流板换热器，格栅式换热器，折流杆换热器和三叶