管内插入物强化传热综述

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1、管内插入物强化传热综述(1．东南大学能源与环境学院，江苏南京2lO096)(2．同济大学机械工程学院，上海2018o4)倪明龙1，黄艺2，陈亚平1摘要：简要的分析了螺旋线、扭带、环状多孔介质三种不同的管内插入物对传热的强化作用，阐述了三种内插物的强化传热机理，通过若干种模型及实验研究进行类比总结，概括了三种不同插入物各自在强化传热方面的优劣性。对比分析，提出了管内插入物强化传热的特性及异同点。关键词：管内插入物；强化传热；对比分析；特性引言随着世界能源的逐渐枯竭，过程强化已经越来越引起人们的注意。换热器作为石油、化工和动力生产中广泛应用的一种通用设备，其合理设计、运转和改进对于节省资

2、金、能源、材料和空间十分重要。传热过程的强化对国民经济意义十分重大。虽然各种内螺纹管和微肋管的强化传热效果很好，但容易结垢且不易清除，尤其当流动介质不洁净、运行环境恶劣时，更限制了它们的应用范围。而管内插入物技术是最方便的一种强化传热技术，它的最大优点是，加工制造方便，可避免额外增加换热器，大大节省换热器的生产和运行成本乜】。国内外很多学者致力于新型插入物的研究与开发。内插物的种类很多，如扭带、螺旋线圈和环状多孔介质是较常用的管内插入物。l不同插入物强化传热方式介绍l。l扭带强化传热方式唐志伟等¨1研究了管内插入扭带的强化传热效果。扭带是一种结构简单而有效的旋流发生器，由薄金属片扭转

3、而成，其结构简图如图l。通常把扭转180。的轴向长度S称为扭转带的节距，并把．屿管内径跎比称为扭转比肛跏。扭转带插入件是旋流强化传热的一种方式，使流体发生旋转运动，从而使整个流体的流动结构发生改变，其机理为：增加了旋转流体的流动路径，贴近壁面的流体速度增加，加强了边界层流体的扰动以及边界层流体和主流流体的混合，因此使传热得以强化。研究结果显示：(1)、使用FLUENT软件模拟流体流动及传热情况，采用詹．￡方程模型模拟得到的结果在高雷诺数下较为准确；(2)、数值模拟的直观性可更有效地解决流动问题，且具有可重复性，更有利于从微观角度上考虑流动问题；(3)、管内插头扭带的强化传热模式，扭转

4、比越小，强化传热的效果越好，且在低雷诺数下更为明显；扭转比越小，摩擦阻力系数越大。郭剑等“1对圆管内添加两种宽度的十字形扭带的强化传热进行了数值模拟，对传热与阻力特性和雠进行了比较分析，如图2所示。SX’，，J、一／，，，，图1扭带结构示意图Fig．1Twistedstripstructureschematicdiagram①①(b)(a)扭带宽】8mm(b)扭带宽10mm(匐Width18mm(b)Width10觚图2换热管示意图Fig．2Tubewithcrosstwisted--tape研究表明，若在受限空间的核心区添加扰流物，促使核心区的流体温度趋于均匀，同时扰流物所占空间比

5、较小，不足以产生较大的阻力，则可以实现传热强化的同时阻力增加不大，从而提高换热设备的性能，即通过减小十字形扭带的宽度使换热管内流体核心区域扰动，能有效降低换热管中流体的阻力，在紊流区域能提高换热管的换热性能。1．2螺旋线圈强化传热方式螺旋线是用金属丝绕制成像弹簧一样的结构，可做成连续的也可做成分段的。螺旋线能促进流体湍流、间歇破坏边界层的发展，使边界层变薄，从而强化传热。传热性能综合评价表明，要在层流和过渡流区获得同样的强化传热效果，利用螺旋流比利用边界层分离消耗的能量少¨1。A1bertoGarc,7a等¨1研究了管内加入一种螺旋线对层流及过渡段的强化传热效果，如图3所示。对不同雷

6、诺数下的怒塞尔数变化及压降变化进行了详细的研究，得到了对应不同流型的最佳结构参数。通过AlbertoGarcl’a等的研究，我们对比发现管内插入螺旋线在低雷诺数范围内(胎=700’2500)比插入扭带的传热效果要好。1．3环状多孔介质强化传热方式黄志锋等"1，研究了圆管内插入环状多孔介质在充分发展的层流区的换热及流动综合性能，并进行了场协同分析，如图4所示。在管内插入金属多孔p图3光滑管内加入螺旋线示意图Fig．3SketchofawirecoiIfittedinsideasmoothtube介质可以强化传热已经被很多学者所证实，其主要原因是金属多孔骨架的引入可以增加管内流体的有效导

7、热系数及比热容。除此以外，多孔介质还可以使流体的径向温度分布均匀化，尤其是对于充分发展的层流流动，其径向的温度分布呈现近似的抛物线型，所以多孔介质的引入对其径向温度的均匀化将会有明显的效果。从这个角度出发，考虑在管内插入环状多孔介质来强化传热。因为对于管内充分发展的层流流动，越靠近管中心处的温度越均匀，即多孔介质对温度的均匀化作用越微弱，结合环状多孔介质中空的特点，就可以在不损失换热性能的前提下进一步减少流动阻力，提高换热效能。口，l：萧稀黼对掣图4空气流