理论教育 管内沸腾换热的强化技术探析

管内沸腾换热的强化技术探析

时间:2023-06-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:实验表明,烧结管可使管内流动沸腾的换热系数明显提高。管内插入扭带对提高管内核态沸腾换热系数和干涸区的传热是有利的。此外管内核态沸腾时插入扭带,其临界热流密度也比光管高。虽然它们对管内流动沸腾的强化作用类似,但效果有所不同。因此螺旋流和边界层的分离流均能有效地减小热阻,强化沸腾换热。

管内沸腾换热的强化技术探析

1.对表面进行特殊处理

对于管内流动沸腾,当流速很低时,管壁的粗糙度对沸腾换热还能起一些强化作用。但当流速较高时,强化作用也随之消失。

对表面进行特殊处理,也能提高管内流动沸腾的换热系数。由于管内加工较难,通常采用烧结法使管子内壁形成一层多孔金属覆盖层。实验表明,烧结管可使管内流动沸腾的换热系数明显提高。

2.采用扩展表面

内肋管除了能强化管内单相流体的对流换热外,还能强化管内流动沸腾。实验表明,前述内肋管一般可使管内流动沸腾的换热系数比光管高几倍。为此在制冷设备中多采用内肋管来强化制冷剂在管内的流动沸腾过程。

3.采用流体旋转法

流体旋转法是工业上应用最多和最有效的强化管内的流动沸腾的方法。采用流体旋转法,不但可以提高管内流动沸腾的换热系数,还可提高临界热流密度。后者对高热流密度下运行的锅炉和核反应堆尤为重要。

原则上说,上一节介绍的使流体旋转的方法均可用于强化管内的流动沸腾。但由于对管内流动沸腾而言可以区分为过冷沸腾、核态沸腾、流动液膜蒸发及干涸区等,因此在采用流体旋转法时特别要注意其适用范围。

1)采用管内插入物(www.daowen.com)

实验研究表明,管内插入扭带对过冷沸腾作用不大,但扭带使流体旋转,在径向引起压力差,迫使气泡脱离加热面,这样在管壁上就不易形成连续汽膜,从而能显著提高过冷沸腾时的临界热流密度。有时临界热流密度可提高1倍。

管内插入扭带对提高管内核态沸腾换热系数和干涸区的传热是有利的。此外管内核态沸腾时插入扭带,其临界热流密度也比光管高。值得注意的是对管内核态沸腾,低热流密度时管内插入扭带强化效果较好,高热流密度下插入扭带效果不明显。

在光管中插入螺旋状金属丝一般能强化管内的流动沸腾。实验表明,螺旋线的尺寸选择(如线径、节距)以及与管壁之间的接触情况对管内沸腾有很大的影响。当几何参数选择不当时,甚至会出现换热系数低于光管的情况,这一点在应用时必须引起注意。

另外,网状和刷状插入物(网状插入物是用毡状金属制成,刷状插入物则由不锈钢扭扎而成)均可显著提高管内沸腾换热效果并提高临界热流密度。在恒定的质量流速下,采用刷状插入物的临界热流密度较光管可提高2倍,采用网状插入物可使临界热流密度提高1倍。

2)螺旋槽管

螺旋槽管能有效地强化管内的流动沸腾,特别是用于强化环状流动区的传热,因为它能非常有效地减少液滴的夹带,减小液膜的厚度并使液膜发生湍动。螺旋肋截面有多种不同的形状,如矩形、梯形(称为螺旋低肋管)、圆弧形(称为滚压螺旋槽管)和三角形(称为内螺纹管)。虽然它们对管内流动沸腾的强化作用类似,但效果有所不同。

螺旋槽管强化管内流动沸腾的主要原因是在管子的内壁面产生螺旋流和边界层分离流。螺旋流的存在使流体与管壁的相对速度增加,减小了层流底层的厚度。螺旋流所引起的离心力使蒸汽中夹带的液滴容易返回液膜,从而推迟壁面干涸的出现。另外螺旋流使液体沿管周分布趋于均匀,因而层状流的现象不易发生,故对水平流特别有效。分离流的主要作用是扰动边界层的流体,使该处流体径向混合较均匀。因此螺旋流和边界层的分离流均能有效地减小热阻,强化沸腾换热。

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