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场协同理论与换热器的强化传热技术点击：1679 日期：[ 2014-04-26 22:01:01 ] |
| 场协同理论与换热器的强化传热技术 赵珍强 1 王 婷 2 （1 海军后勤技术装备研究所 北京 100072 2 北京国际电力新能源有限公司 北京 100071） 摘要：概述目前工业上普遍使用的强化传热技术， 介绍场协同理论的概念和在强化传热研究中的应用及其对于提高换 热器传热效率、节约能源重要的作用。 关键词：场协同 强化传热 中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号:1672-9064(2008)06-0028-02 在工业生产中， 换热器是保证工程设备正常运转不可缺 少的部件，而且在金属消耗、动力消耗和投资方面占有整个工 程的重要份额。 随着科学技术的飞速发展和能源的严重短缺， 世界各国都在寻求工业生产中的节能新途径， 不断向强化传 热提出新的要求。 强化传热技术是指能显著改善传热性能的 节能新技术，其主要内容是采用强化传热元件，改善换热器结 构、提高传热效率，从而使设备投资和运行费用最低，以达到 生产的最优化。 1 传统强化传热技术 国外很多国家在上世纪 60～70 年代开始了强化传热技术 的研究，最近十几年来，随着计算机软硬件的发展，计算流体 力学（CFD）在流体流动和传热方面进行计算机模拟仿真，强化 传热技术得到了迅速的发展和应用， 它不但能节约大量的能 源，而且能大大减少设备的重量和体积。 换热的传热量可用 Q=kFΔT 计算 其中，k－传热系数/W/(m2·K)；F－传热面积/m2；ΔT－冷热液 体的平均温差/K。 可见，增加传热量的方法是： (1) 增加冷热液体的平均温差 ΔT。实验数据表明：在冷热流体进出口温度相同时，逆流的平均温差 ΔT 最大，顺流时最小， 因此为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的布置。 （2） 扩大换热面积 F。采用外翅片、内肋片的盘管，一般可 增加 6～10 倍的传热面积；用外翅片来设计火管，可扩大 2 倍左右的换热面积；用外翅片来设计烟管束，可扩大 3 倍左右的 换热面积。 （3） 提高传热系数 k。 当管壁较薄时，传热系数k 可用下式计算： 式中，α1：热液体和管壁之间的对流换热系数；α2：冷流体 和管壁之间的对流换热系数；δ： 管壁厚度；λ： 管壁的导热系数。 由于金属壁很薄，导热系数很大，δ/λ 可忽略。 因此传热系 数 k 可近似写成：k=α1α2/（α1+α2）。 由此可知，欲增加 k，就须增 加 α1 和 α2，但当 α1 和 α2 相差较大时，增加它们之中较小的一 个最有效。 强化传热技术在工业上应用最广的是对流换热强化技术， 对流换热按照强化方法分类可以分为有源强化技术和无 源强化技术。 有源强化技术必须依赖外加的机械力或电磁力 的帮助，主要包括电磁场强化对流、传热表面振动、射流冲击 强化传热及机械搅动、旋转等强化技术。无源强化传热技术除 了传送热流体介质的功率消耗外，不再需要外部附加动力，主要是通过改进换热元件及改变流体流动方式来强化传热，主 要有用机械加工或电化学腐蚀制造粗糙表面的特殊处理表面 法、使用螺旋槽管、旋流管、缩放管、波纹管、针翅管横纹管、翅 片管等异形强化管的方法和加装扰流装置、 添加物及采用壳 程强化结构等强化传热方法。 以上强化传热技术的应用使得换热器强化效能得到很大 提高，但存在一个普遍的问题就是传热强化的同时，流动阻力 （或功耗）的增加更多，相当程度上限制了工程应用的范围。 另 一个不足之处就是，它们基本上是现有技术的改进，缺乏一些 基于新概念的创新性的传热强化技术。 2 强化传热技术的场协同理论 随着强化传热技术的深入研究和广泛应用， 强化传热成 为国内外传热学界研究的热门课题， 现在已经提出了第 4 代 强化传热技术的概念。 但是，强化传热的实质究竟是什么，即 使对于单相强制对流换热，也没有相对统一的解释。 1998 年， 过增员教授及其合作者对边界层型的流动进行了能量方程的 分析，通过将该方程在热边界层内的积分，证明了减小速度矢 量与温度梯度之间的夹角是强化对流换热的有效措施， 这一 思想被称为场协同理论 （field synergy principle,field coordina- tion principle）。 传热强化的场协同原理表述为：“对流换热的性能不仅取决于流体的速度和物性以及流体与固壁的温差， 而且还取决 于流体速度场与流体热流场间协同的程度。 在相同的速度和 温度边界条件下，它们的协同程度愈好，换热强度愈高。 ” 在换热器中， 冷流体和热流体的温度在换热器中是沿流 程而变化的，从而形成了各自的温度场。 把整个换热器看作为 若干个子换热器，在子换热器中，冷热流体的特征（平均）温度 分别为 th 和 tc,所以，对每一个子换热器均存在着一个冷热流 体温度场: θ (x,y,z)=th(x,y,z)-tc(x,y,z) 换热器的好坏， 不仅取决于冷热流体的进口温度差和传 热单元数，还取决于冷热流体的流动方式（顺流、叉流、逆流）。 从换热器整体来看，冷热流体温度场间的搭配，即温度场的特 性，本质地决定了换热器的性能。 冷热流体的温度场都是空间 的函数，函数形式越接近，协同就越好。 当换热器中冷热流体 温度场具有相同的函数形式，即： th(x,y,z)=A+f(x,y,z), tc(x,y,z)=B+f(x,y,z) 此时，冷热流体的温差不随空间位置而变化，即温度场是 完全均匀的，于是: θ (x,y,z)=th(x,y,z)-tc(x,y,z) =A-B=const 此时称冷热流体的温度场是完全协同的，也就是说温度 场的均匀程度代表了它们的协同程度。 研究人员以叉流换热器为例，应用场协同原理研究了相同 传热单元数，不同热容量流比条件下顺流、逆流、叉流等 9 种常 见的换热器流体温度场的场协同数 φ 的数值和换热器效能 ε的关系，发现冷热流体温度场的协同越好，换热器效能越好。 3 场协同原理在工程应用中的意义 在增加对流换热系数的层次上提高换热器的性能， 一般 需要提供更多的泵功为代价，而在换热器的层次上，通过改善 冷热流体温度场的协同强化传热， 是从换热器中换热介质温 度场相互配合的整体来考虑的， 不以增加阻力为代价来提高 换热器的效能，因此在工程应用方面更有意义。 应用传热强化场协同原理可以对现有的各类对流换热现 象和各种传热强化技术有更深入和更本质的认识和理解。 许 多学者通过应用场协同原理对湍流换热、翅片结构、开缝翅片 位置影响及“前疏后密”法则等强化传热技术的数值验证有力 地证明，使速度与温度协同是强化对流换热的根本机制，场协 同原理在指导新型强化换热表面的开发中有重要的作用。 参考文献 1 过增员,黄素逸,等.场协同原理与强化传热新技术.北京：中国电力出 版社，2004 2 崔海亭,彭培英,等.强化传热新技术及其应用.北京：化学工业出版社， 2006 3 Tao W Q,Guo Z Y,Wang B X.Field synergy principle for enhancing con- vective heat transfer ----its extension and numerical verifications, Int J Heat Mass Transfer,2002 4 林宗虎.强化传热及其工程应用.北京：机械工业出版社，1987 5 朱冬生，钱颂文.强化传热技术及其设计应用.化工装备技术，2000，21 |
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