螺旋槽管强化传热的机理.docVIP

螺旋槽管强化传热的机理 由前面可知，相变—液浴式锅炉的换热盘管采用的是螺旋槽管，该型管能够在有相变和无相变的传热中显著地提高管内外的传热系数，这完全满足了换热盘管的外表面可能出现凝结换热或者对流换热对传热强化的要求，下面将对螺旋槽管的强化机理进行总结： 螺旋槽管管内强化对流传热机理 当螺旋槽管管内进行单相对流换热时，流体流经固体壁面形成流动边界层，边界层内存在速度梯度；当流体呈湍流时，靠近壁面处总有一层层流底层存在，其中流体呈滞流流动，沿壁面的法线上没有对流传热，仅为热传导，导热热阻很大，该层中温度梯度较大。在湍流主体中，由于流体质点剧烈混合并充满了旋涡，其温度梯度极小；在湍流主体和层流底层之间的缓冲层中，热传导和对流传热均起作用。由此可知，对流传热的热阻主要在层流底层内，减薄层流底层的厚度、增加流体湍动程度是强化对流传热的重要途径。 螺旋槽使近壁处流体做螺旋运动，产生局部二次流，即在管的中心部分流体的速度较高，由于离心力的作用而走向管壁处，因而造成了螺旋槽管中心部分的低压区，在压差的作用下，流体从外侧沿着圆管的上部和下部流回内侧,从而在管的横截面上产生了二次流，增加了流体的湍动性，强化了传热。这种运动方式在多头且导程较长的螺旋槽管中较为显著。 螺旋槽在使流体产生旋转的同时又导致了形体阻力，它起了人工表面粗糙度的作用。在槽肋的前后，产生逆向压力梯度，使边界层出现分离旋涡，结果破坏了流动边界，加强了流体的径向混合，减少边界层热阻，从而提高传热速率。这种运动方式在单头且导程较短的螺旋槽管中较为显著。 上述的两种两种流动方式并不是各自独立存在的，而是并存的，只是在形状不同的螺旋槽管中各自的强度不同而已。 螺旋槽管管外强化凝结换热机理 当饱和蒸气与温度较低的壁面相接触时,蒸气将放出潜热，并在壁面上冷凝成液体。在过热蒸气和冷凝液间存在一中间层，通过此层蒸气的温度逐渐降到饱和温度，但这部分显热仅占总能量很少的一部分，同时由于蒸气冷凝时，体积急剧缩小，过热蒸气急速流向液膜层，因此中间层的热阻很小。故过热蒸汽的冷凝仍可按饱和蒸汽处理。 若冷凝液能够润湿壁面，则在壁面上形成一层完整的液膜，称为膜状凝结。在壁面上一旦形成液膜后，蒸气的冷凝只能在液膜的表面进行，即蒸气放出的潜热只能通过液膜后才能传给冷壁面。由于蒸气冷凝时的热阻很小，这层冷凝液膜就成为膜状凝结的主要热阻。若冷凝液在重力作用下沿壁面向下流动，则所形成的液膜越往下越厚，因此壁面越高(即在管束中的相对位置)或水平放置的管径越大，整个壁面的平均对流传热系数也就变小。若冷凝液不能润湿壁面 ,由于表面张力的作用 ,冷凝液在壁面上形成许多液滴 ,并沿壁面落下 ,这种冷凝称为滴状冷凝。在滴状冷凝过程中 ,壁面大部分的面积直接暴露在蒸气中 ,可供蒸气冷凝。由于没有液膜阻碍热流 ,滴状冷凝的传热系数比膜状冷凝可高几倍到几十倍。 蒸汽在螺旋槽管外表面的凝结是膜状凝结，凝结液膜构成了凝结过程的主要热阻。根据表面张力定律，凝结液在两螺旋槽之间管子表面和凹槽之间就会产生一个压差，其中为液膜表面张力系数，为凸面半径，为凹槽半径，于是两螺旋槽之间管子表面上的凝液就在作用下流向螺旋凹槽，聚集在凹槽内的凝液又借重力作用迅速滴落。饱和水蒸气管外凝结换热实验研究表明，越大、越小, 螺旋槽管凸面曲率半径越小，表面张力作用越大，越容易将凸表面的凝液拉到螺旋槽内，减薄两螺旋槽之间管子表面上凝结液膜的厚度，提高管外凝结换热系数。 螺旋槽管不但对管外纯蒸汽凝结具有强化换热的作用，而且当蒸汽中含有大量不凝性气体时，螺旋槽管仍具有较好的强化效果。当蒸汽含量为8%～56%时，螺旋槽管总的传热系数比光管都有所增加，最高可增加约35%。螺旋槽管强化含有高浓度不凝气体蒸汽的凝结换热过程的主要原因是使得液膜和气膜层产生旋流，破坏了气膜层的稳定。气膜层足以深入到槽中，形成局部湍流，使得滞流气膜层变薄。如果槽越深则对气膜层的影响就越大，强化效果也就越好。总传热系数和气膜传热系数随槽的加深而增加。另一方面，冷凝液在螺旋槽内由于重力分力和表面张力作用而产生螺旋运动 ,在气液相界面剪切力的作用下，使得气膜层也产生相应的局部旋流，从而破坏了气膜层的稳定性，有效地降低了气膜层热阻，提高了气膜传热系数。在一定的导程范围内，导程变短而使螺旋角增大，有利于增强液相的旋流，强化效果会比较好。但是，在不凝组分含量很高时，气膜层将变得很厚，螺旋槽的表面形状对气膜的影响就相对小了，强化效果也就不明显了。