換熱強(qiáng)化黃速逸報(bào)告

1、全國(guó)化工熱工設(shè)計(jì)技術(shù)中心站2004年年會(huì)論文集強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)展華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院黃素逸一概述只要存在著溫度差，熱量就會(huì)自發(fā)地由高溫傳向低溫，因此熱傳遞過(guò)程是自然界中基 本的物理過(guò)程之一。它廣泛見(jiàn)諸如動(dòng)力、化工、冶金、航天、空調(diào)、制冷、機(jī)械、輕紡、 建筑等部門(mén)。大至單機(jī)功率為130萬(wàn)千瓦的汽輪發(fā)電機(jī)組，小至微電子器件的冷卻都與傳 熱過(guò)程密切相關(guān)。熱傳遞過(guò)程可以分為導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱等三種基本方式，它們各自有不同的 傳熱規(guī)律，實(shí)際中遇到的傳熱問(wèn)題都常常是幾種傳熱方式同時(shí)起作用。實(shí)現(xiàn)熱量由冷流體 傳給熱流體的設(shè)備就稱(chēng)之為換熱器。它是上述工業(yè)部門(mén)廣泛應(yīng)用的一種通用設(shè)備，以電廠 為例，

2、如果把鍋爐也看作換熱設(shè)備，則再加上冷凝器，除氧器，高、低壓加熱器等換熱設(shè) 備，換熱器的投資約占整個(gè)電廠投資的 70%。在煉油企業(yè)中四分之一的設(shè)備投資用于各種 各樣的換熱器；換熱器的重量占設(shè)備總重量的20%，在制冷設(shè)備中蒸發(fā)器、冷凝器的重量也要占整個(gè)機(jī)組重量的30%40%。由于換熱器在工業(yè)部門(mén)中的重要性，因此從節(jié)能的角度出發(fā)，為了進(jìn)一步減小換熱器 的體積，減輕重量和金屬消耗，減少換熱器消耗的功率，并使換熱器能夠在較低溫差下工 作，必須用各種辦法來(lái)增強(qiáng)換熱器內(nèi)的傳熱。因此最近十幾年來(lái)，強(qiáng)化傳熱技術(shù)受到了工 業(yè)界的廣泛重視，得到了十分迅速的發(fā)展，并且取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效果。如美國(guó)通用油品 公司將該公司

3、電廠汽輪機(jī)冷凝器中采用的普通銅管用單頭螺旋槽管代替，由于螺旋槽管強(qiáng) 化傳熱的效果，使冷凝器的管子長(zhǎng)度減少了 44%，數(shù)目減少了 15%，重量減輕了 27%，總 傳熱面積節(jié)約30%，投資節(jié)省了 10萬(wàn)美元。又如用我們研制的橢圓矩形翅片管代替圓形翅 片管制作的空冷器，其傳熱系數(shù)可以提高 30%，而空氣側(cè)的流動(dòng)阻力可以降低 50%。這種 空冷器已在我國(guó)石化行業(yè)和火電廠得到廣泛應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。二強(qiáng)化傳熱的原則從傳熱學(xué)中我們知道換熱器中的傳熱量可用下式計(jì)算，即Q=kFA T(1)式中，k-傳熱系數(shù)W/(m2 K)，F(xiàn)-傳熱面積mj, A T-冷熱液體的平均溫差K,從上式 可以看出，欲增加傳熱

4、量 Q,可用增加k、F或AT來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面我們對(duì)此分別加以討論。1. 增加冷熱液體的平均溫差T在換熱器中冷熱液體的流動(dòng)方式有四種，即順流、逆流、交叉流、混合流。在冷熱流 體進(jìn)出口溫度相同時(shí)，逆流的平均溫差 T最大，順流時(shí) T最小，因此為增加傳熱量應(yīng) 盡可能采用逆流或接近于逆流的布置。當(dāng)然可以用增加冷熱流體進(jìn)出口溫度的差別來(lái)增加 T。比如某一設(shè)備采用水冷卻時(shí)傳 熱量達(dá)不到要求，則可采用氟里昂來(lái)進(jìn)行冷卻，這時(shí)平均溫差T就會(huì)顯著增加。但是在一般的工業(yè)設(shè)備中，冷熱流體的種類(lèi)和溫度的選擇常常受到生產(chǎn)工藝過(guò)程的限制，不能隨 意變動(dòng)；而且這里還存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題，如許多工業(yè)部門(mén)經(jīng)常采用飽和水蒸氣作加熱 工質(zhì)

5、，當(dāng)壓力為15.86X 105Pa時(shí)，相應(yīng)的飽和溫度為437K，若為了增加 T,采用更高溫 度的飽和水蒸氣，則其飽和壓力亦相應(yīng)提高，此時(shí)飽和溫度每增高2.5K，相應(yīng)壓力就要上升105Pa。壓力增加后換熱器設(shè)備的壁厚必須增加，從而使設(shè)備龐大，笨重，金屬消耗量大 大增加，雖然可采用礦物油，聯(lián)苯等作為加熱工質(zhì)，但選擇的余地并不大。綜上所述，用增加平均溫差T的辦法來(lái)增加傳熱只能適用于個(gè)別情況。2. 擴(kuò)大換熱面積F如板式和板翅式換熱器，同管殼式換熱器相比，在單位體 如管殼式換熱器在1m3體積內(nèi)僅能布置換熱面積150m2左1500 m2，板翅式換熱器中更可達(dá)5000 m2,因此在后兩種換擴(kuò)大換熱面積是常用

6、的一種增強(qiáng)換熱量的有效方法，如采用小管徑。管徑越小，耐壓 越高，而且在金屬重量相同的情況下，表面積也越大。采用各種形狀的肋片管來(lái)增加傳熱 面積其效果就更佳了。這里應(yīng)特別注意的是肋片（擴(kuò)展表面）要加在換熱系數(shù)小的一側(cè)， 否則會(huì)達(dá)不到增強(qiáng)傳熱的效果。一些新型的緊湊式換熱器， 積內(nèi)可布置的換熱面積多得多。 右。而在板式換熱器中則可達(dá) 熱器中其傳熱量要大得多。這就是它們?cè)谥评?、石油、化工、航天等部門(mén)得以廣泛應(yīng)用的 原因。當(dāng)然緊湊式的板式結(jié)構(gòu)對(duì)高溫、高壓工況就不宜應(yīng)用。對(duì)于高溫、高壓工況一般都采用簡(jiǎn)單的擴(kuò)展表面，如普通肋片管、銷(xiāo)釘管、鰭片管， 雖然它們擴(kuò)展的程度不如板式結(jié)構(gòu)高，但效果仍然是顯著的。采用擴(kuò)

7、展表面后，如果幾何參數(shù)選擇合適還可同時(shí)提高換熱器的傳熱系數(shù)，這樣增強(qiáng) 傳熱的效果就更好了。值得注意的是，采用擴(kuò)展面常會(huì)使流動(dòng)阻力增加，金屬消耗增加， 因此在應(yīng)用時(shí)應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。3. 提咼傳熱系數(shù)k提高傳熱系數(shù)k是強(qiáng)化傳熱的最重要的的途徑，且在換熱面積和平均溫差給定時(shí)，是 增加換熱量的唯一途徑。當(dāng)管壁較薄時(shí)從傳熱學(xué)中我們知道，傳熱系數(shù)k可用下式計(jì)算：丄+_ +丄Z a2式中，a 1熱液體和管壁之間的對(duì)流換熱系數(shù)，a 2冷流體和管壁之間的對(duì)流換熱系 數(shù)，管壁的厚度，入一管壁的導(dǎo)熱系數(shù)。一般講金屬壁很薄，導(dǎo)熱系數(shù)很大，S /入可以忽略。因此傳熱系數(shù)k可以近似寫(xiě)成：k= a 1 a 2/ （ a

8、什a 2）。由此可知欲增加k，就必須增加a 1和a 2,但當(dāng)a 1和a 2相差較大時(shí), 增加它們之中較小的一個(gè)最有效。要想增加對(duì)流換熱系數(shù)，就需根據(jù)對(duì)流換熱的特點(diǎn)，采用不同的強(qiáng)化方法。我國(guó)學(xué)者 過(guò)增元院士在研究對(duì)流換熱強(qiáng)化時(shí)，提出了著名的場(chǎng)協(xié)同理論。該理論指出要獲得高的對(duì) 流換熱系數(shù)的主要途徑有：1）提高流體速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的均勻性；2）改變速度矢量和熱流矢量的夾角，使兩矢量的方向盡量一致；根據(jù)上述理論，目前強(qiáng)化傳熱技術(shù)有兩類(lèi)：一類(lèi)是耗功強(qiáng)化傳熱技術(shù)，一類(lèi)是無(wú)功強(qiáng) 化傳熱技術(shù)。前者需要應(yīng)用外部能量來(lái)達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，如機(jī)械攪拌法、振動(dòng)法、靜 電場(chǎng)法等。后者不需外部能量，如表面特殊處理法、粗糙表

9、面法、強(qiáng)化元件法、添加劑法 等。由于強(qiáng)化傳熱的方法很多，因此在應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)時(shí)，我們應(yīng)遵循以下原則：1）首先應(yīng)根據(jù)工程上的要求，確定強(qiáng)化傳熱的目的，如減小換熱器的體積和重量；提 高現(xiàn)有換熱器的換熱量；減少換熱器的阻力，以降低換熱器的動(dòng)力消耗等。因?yàn)槟康牟煌?采用的方法也不同，與此同時(shí)確定技術(shù)上的具體要求。2）根據(jù)各種強(qiáng)化方法的特點(diǎn)和上述要求，確定應(yīng)采用哪一類(lèi)的強(qiáng)化手段。3）對(duì)擬采用的強(qiáng)化方法從制造工藝，安全運(yùn)行，維修方便和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行具 體比較和計(jì)算，最后選定強(qiáng)化的具體技術(shù)措施。只有按上述步驟才能使強(qiáng)化傳熱達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益。三單向介質(zhì)管內(nèi)對(duì)流換熱的強(qiáng)化1流體旋轉(zhuǎn)法強(qiáng)化單向介質(zhì)管內(nèi)

10、對(duì)流換熱的有效方法之一是使流體在管內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)靠壁 面的流體速度增加，加強(qiáng)了邊界層內(nèi)流體的攪動(dòng)。同時(shí)由于流體旋轉(zhuǎn)，使整個(gè)流動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā) 生變化，邊界層內(nèi)的流體和主流流體得以更好的混合。 以上這些因素都使換熱的到了強(qiáng)化。使流體旋轉(zhuǎn)的方法很多，在工藝上可行的有以下幾種：（1）管內(nèi)插入物使流體旋轉(zhuǎn)最簡(jiǎn)單的方法是管內(nèi)插入各種可使流體旋轉(zhuǎn)的插入物。如扭帶、靜態(tài)混合 器、螺旋片等。a. 扭帶45全國(guó)化工熱工設(shè)計(jì)技術(shù)中心站2004年年會(huì)論文集扭帶是一種最簡(jiǎn)單而又使流體旋轉(zhuǎn)的旋流發(fā)生器。它是由薄金屬片（通常是鋁片）扭 轉(zhuǎn)而成。扭帶的扭轉(zhuǎn)程度由每扭轉(zhuǎn)360的長(zhǎng)度H （稱(chēng)為全節(jié)距）與管子內(nèi)徑d之比來(lái)表征。 H

11、/d稱(chēng)之為扭率。扭率不同強(qiáng)化傳熱的效果也不同，試驗(yàn)表明，扭率為5左右效果最好。b. 錯(cuò)開(kāi)扭帶錯(cuò)開(kāi)扭帶是將扭帶剪成扭轉(zhuǎn)180的短元件，互相錯(cuò)開(kāi)90再點(diǎn)焊而成。c. 靜態(tài)混合器由一系列左、右扭轉(zhuǎn)180。的短元件，按照一個(gè)左旋、一個(gè)右旋的排列順序，互相錯(cuò) 開(kāi)900再點(diǎn)焊而成。d. 螺旋片由寬度一定的薄金屬片在預(yù)先車(chē)制出的有一定深度和一定節(jié)距的螺旋槽的心軸上繞 成。e. 徑向混合器用薄金屬片沖壓成具有一個(gè)圓錐形收縮環(huán)和一個(gè)圓錐形擴(kuò)張環(huán)的元件，在環(huán)上開(kāi)許多 小孔，然后將這些元件按一定間距點(diǎn)焊在一根金屬絲上，插入管內(nèi)就成為一個(gè)徑向混合器。f. 金屬螺旋線圈用細(xì)金屬絲繞制成三葉或四葉的螺旋線圈，插入管內(nèi)，即

12、可使流體旋轉(zhuǎn)。除上述常用的插入物外，還有其它一些形狀的插入物。管內(nèi)插入上述插入物后，由于 流體的旋轉(zhuǎn)，使管內(nèi)流體由層流向湍流過(guò)渡的臨界雷諾數(shù) Re降低，強(qiáng)化了管內(nèi)換熱。當(dāng)然 由于流體的旋轉(zhuǎn)，流動(dòng)阻力也會(huì)相應(yīng)增加。實(shí)驗(yàn)研究證明，在低Re數(shù)區(qū)采用插入物比高Re數(shù)區(qū)強(qiáng)化傳熱的效果更加顯著，這說(shuō)明層流時(shí)采用插入物是很有效的。等功率和等流量 的試驗(yàn)研究表明，各種插入物的強(qiáng)化效果在層流區(qū)都隨 Re的增加而增加。在相當(dāng)于光管由 層流向湍流過(guò)渡的臨界 Re時(shí)達(dá)到最大值，然后又隨 Re的增加而減小。在Re=50010000 的范圍內(nèi)，在相同的流量下，靜態(tài)混合器可獲得較強(qiáng)的傳熱效果。因此當(dāng)系統(tǒng)壓降有裕量 的情況下

13、，為強(qiáng)化傳熱可優(yōu)先采用靜態(tài)混合器。在要求消耗功率一定的情況下，則可選用 螺旋片和扭帶，此時(shí)螺旋片還有節(jié)約材料的優(yōu)點(diǎn)。許多研究者提供了管內(nèi)加插入物后計(jì)算流動(dòng)阻力和傳熱的公式，這些公式大多是以實(shí) 驗(yàn)研究為基礎(chǔ)的。在選用這些公式時(shí)應(yīng)注意這些公式的應(yīng)用條件和范圍。同時(shí)值得注意的 是，采用管內(nèi)插入物后傳熱增加了，但流動(dòng)阻力也隨之增加，因此通常在計(jì)算強(qiáng)化傳熱的 同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行流動(dòng)阻力的核算和經(jīng)濟(jì)性的比較，才能獲得滿意的結(jié)果。（2）螺旋槽管和螺旋內(nèi)肋管管內(nèi)插入物的方法，其結(jié)構(gòu)不夠牢靠，制造安裝工作量大，一般宜在增強(qiáng)現(xiàn)有換熱設(shè) 備的傳熱能力上采用。對(duì)新設(shè)計(jì)制造的換熱設(shè)備，可以采用螺旋槽管或螺旋內(nèi)肋管來(lái)使流體旋

14、轉(zhuǎn)。螺旋槽管 可以用普通圓管滾壓加工而成，它有單頭和多頭之分。螺旋槽管的作用也是引起流體旋轉(zhuǎn)， 使邊界層厚度減薄并在邊界層內(nèi)產(chǎn)生擾動(dòng)，從而使傳熱增強(qiáng)。研究表明，在相同的Re及槽距、槽深的情況下，單頭螺旋和三頭螺旋相比，強(qiáng)化傳熱 的效果差別不大，但流動(dòng)阻力卻減小很多，因此實(shí)際上多采用單頭螺旋槽管。采用螺旋內(nèi)肋管，一方面可使流體旋轉(zhuǎn)，另一方面內(nèi)肋片又加大了管內(nèi)換熱面積，有 利于增強(qiáng)傳熱或降低壁溫。雖然其加工比較復(fù)雜，但仍是一種理想的強(qiáng)化傳熱管。2.改變流道截面形狀1）層流工況和過(guò)渡工況流動(dòng)截面形狀對(duì)換熱和阻力有很大的影響，特別是對(duì)層流工況而言。試驗(yàn)證明，當(dāng)管 道長(zhǎng)度較長(zhǎng)及雷諾數(shù)Re較小時(shí)，換熱的N

15、u數(shù)實(shí)際上與雷諾數(shù)Re數(shù)無(wú)關(guān)。表1列出了各 種不同截面的流道中最小的Nu數(shù)及阻力系數(shù)E的值。表1 層流時(shí)不同截面形狀的Nu數(shù)管道截面形狀熱流恒定時(shí)的Nu壁溫恒定時(shí)的NuE Re等腰三角形202.72.751.5402.952.753603.02.753.3802.952.752.7100 2.82.752120 2.72.751圓 形4.363.6664矩形a/b=13.632.8956.8a/b=0.73.83.058a/b=0.54.13.362a/b=0.34.94.370a/b=0.16.86.185a/b=08.247.5496從表1中可以看出，合適高度比的矩形截面的換熱比三角形截面

16、和圓形截面要高得多， 以鍋爐中的回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器為例，由波紋板和平板可組成不同形狀的流道，如三角形和 近似矩形。計(jì)算表明在傳遞相同的熱量時(shí)，三角形流道將比矩形流道的換熱器長(zhǎng)18%，而流動(dòng)阻力矩形流道比三角形流道要低 30%。對(duì)一般圓管和矩形截面而言，在管道中溫度條件相同時(shí)，采用矩形管道也能增加換熱 系數(shù)，但與此同時(shí)流動(dòng)阻力會(huì)急劇增加。在由層流向湍流過(guò)渡的過(guò)渡區(qū)中管道截面形狀對(duì)換熱也有較大的影響。例如在具有槽 形截面通道的板式換熱器中改用波紋板可以顯著提高換熱系數(shù)。2）湍流工況a.橫槽紋管湍流工況時(shí)為改變管子的流道截面情況，應(yīng)用最廣的是所謂橫槽紋管。它是由普通圓 管滾軋而成。流體流過(guò)橫槽紋管會(huì)形

17、成漩渦和強(qiáng)烈的擾動(dòng)，從而強(qiáng)化了傳熱。強(qiáng)化的效果 取決于節(jié)距P和橫槽紋的突出高度h之比。實(shí)際應(yīng)用中p/h工10。與前述的螺旋槽管相比， 由于橫槽紋管的漩渦主要在管壁處形成，對(duì)流體主流的影響較小，所以其流動(dòng)阻力比相同 節(jié)距與槽深的螺旋管小。譚盈科等對(duì)p/d=0.5, h/d=0.03的橫槽紋管的測(cè)定表明，當(dāng)工質(zhì)為空氣時(shí)，Re=3.4X104。橫槽紋管可比普通光管的換熱系數(shù)提高1.7倍，阻力增加2.2倍；如工質(zhì)為水，Re=4000,換熱系數(shù)可提高1.4倍，阻力增加1.7倍。當(dāng)流體縱向沖刷環(huán)形槽道時(shí)，為了強(qiáng)化傳熱可在 管內(nèi)采用橫槽紋管，這樣內(nèi)外流體都能得到強(qiáng)化。b.擴(kuò)張一收縮管流體沿流動(dòng)方向依次交替流

18、過(guò)收縮段和擴(kuò)張段。流體在擴(kuò)張段中產(chǎn)生強(qiáng)烈的漩渦被流 體帶入收縮段時(shí)得到了有效的利用，且收縮段內(nèi)流速增高會(huì)使流體層流底層變薄，這些都 有利于增強(qiáng)傳熱。一般擴(kuò)縮管中擴(kuò)張段和收縮段的角度應(yīng)使流體產(chǎn)生不穩(wěn)定的分離現(xiàn)象，從而有利于傳 熱，而流動(dòng)阻力卻增加不多。擴(kuò)縮管是一種很有前途的強(qiáng)化傳熱管，特別是對(duì)污染的流體， 擴(kuò)縮管不易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。對(duì)于非圓形槽道亦可利用擴(kuò)縮管的原理使流道擴(kuò)縮，如在兩塊平板間加入兩塊帶鋸齒 表面的板，就可構(gòu)成擴(kuò)縮槽道。四單向介質(zhì)管束外對(duì)流換熱的強(qiáng)化單向介質(zhì)橫向或縱向掠過(guò)管束是工程上常見(jiàn)的對(duì)流換熱過(guò)程，其最實(shí)用的強(qiáng)化方法是 擴(kuò)展換熱面和采用各種異形管。1. 擴(kuò)展換熱面當(dāng)換熱面一側(cè)為氣

19、體，另一側(cè)為液體時(shí)，由于氣體側(cè)的換熱系數(shù)比液體側(cè)小得多（一般小1050倍）。這時(shí)應(yīng)用擴(kuò)展換熱面的方法來(lái)提高傳熱系數(shù)是最有效的辦法。為了使換熱器更加緊湊和進(jìn)一步提高氣側(cè)的換熱，現(xiàn)在各種異性擴(kuò)展換熱面得以迅速發(fā)展，它們可使 氣側(cè)的換熱系數(shù)較普通擴(kuò)展面再提高 0.51.5倍。（1）平行板肋換熱器中各種異性擴(kuò)展換熱面平行板肋換熱器中的異性擴(kuò)展換熱面發(fā)展最快，應(yīng)用也最廣。他們是各種普通擴(kuò)展面（如矩形、三角形）的變形，其種類(lèi)繁多，形狀各異。最常用的有波形、叉排短肋形、銷(xiāo) 釘形、多孔形和百葉窗形。這些換熱面的肋片密度都很高，一般為每米300500片。由于通常當(dāng)量直徑小，氣體密度小，因此它們經(jīng)常處于低Re數(shù)的

20、范圍，即Re=5001500,亦即處于層流狀態(tài)。它們的特點(diǎn)，或者是利用流道的特殊截面形狀來(lái)強(qiáng)化傳熱，如波形通道中 產(chǎn)生的二次流；或者是使通道中流動(dòng)的邊界層反復(fù)形成又反復(fù)破壞來(lái)強(qiáng)化換熱，叉排短肋 形、銷(xiāo)釘形就是如此。下面分別對(duì)常用的異性擴(kuò)展面加以討論。a. 波形擴(kuò)展換熱面波形擴(kuò)展換熱面能使氣體流過(guò)波形表面的凹面時(shí)形成漩渦，造成反方向的旋轉(zhuǎn)；而在 凸面處又會(huì)形成局部的流體脫離，這兩種因素會(huì)使換熱得到強(qiáng)化。b. 叉排短肋形擴(kuò)展面2倍。這種叉排短肋形擴(kuò)展面是將通常的矩形長(zhǎng)直肋變成短肋，并錯(cuò)開(kāi)排列，這樣在前一塊 短肋上形成的層流邊界層在隨后的叉排肋處被破壞，并在其后形成漩渦，這一過(guò)程反復(fù)進(jìn) 行。由于邊界

21、層開(kāi)始形成時(shí)較薄（入口效應(yīng)），熱阻較小，因此換熱得到充分的強(qiáng)化。一般 叉排短肋要比矩形直肋換熱系數(shù)高一倍，當(dāng)然相應(yīng)阻力也要增加，一般約增大C.銷(xiāo)釘形擴(kuò)展表面銷(xiāo)釘形擴(kuò)展表面與叉排短肋類(lèi)似，它使用銷(xiāo)釘來(lái)代替短肋，其強(qiáng)化換熱的機(jī)理也與短 肋類(lèi)似。d. 多孔形擴(kuò)展換熱面這種換熱面是先在板上打許多孔，再將板彎成通道，當(dāng)孔足夠多時(shí)，由于孔的擾動(dòng)可 以破壞板上的流動(dòng)邊界層，從而強(qiáng)化傳熱。e. 百葉窗形擴(kuò)展換熱面在板上沖許多百葉窗，再將板彎成通道，這些百葉窗的凸出物能破壞邊界層，從而增 強(qiáng)傳熱的效果。（2）圓管上的各種異形擴(kuò)展換熱面圓管上的異形擴(kuò)展換熱面通常是在普通圓肋的基礎(chǔ)上形成的，如開(kāi)槽肋片，開(kāi)三角孔 并

22、彎邊的肋片，扇形肋片，繞圈形肋片等，它們的目的都是為了破壞流動(dòng)邊界層從而強(qiáng)化 傳熱。肋片的形狀對(duì)換熱有很大的影響。我們研究過(guò)橢圓管上套圓形肋片、橢圓形肋片和矩 形翅片（其四角上帶有繞流孔），結(jié)果發(fā)現(xiàn)矩形翅片效果最好，可使換熱系數(shù)較前者提高 7%。2. 采用異形管為了強(qiáng)化管束傳熱，在工程應(yīng)用上已越來(lái)越廣泛地采用異形管來(lái)代替圓管。如橢圓管、滴形管、透鏡管等。其中以扁管和橢圓管應(yīng)用最廣。以作者研究的橢圓矩形翅片管為例，與圓管相比，由于橢圓管的流動(dòng)性好，流動(dòng)阻力 小，且在相同的管橫截面積下，橢圓管的傳熱周邊比圓管長(zhǎng)；從布置上講在單位體積內(nèi)可 布置更多的管子。因此單位體積的傳熱量高。作者研制的TZ型橢圓

23、矩形翅片管散熱器與SRZ型圓形圓翅片管散熱器相比，阻力可降低 59%，傳熱系數(shù)可增加67%，單位體積的傳 熱量可提高80%，性能明顯改進(jìn)。目前國(guó)內(nèi)外大規(guī)模的風(fēng)冷技術(shù)中廣泛應(yīng)用的也是各種橢圓矩形翅片管。在國(guó)外直接空 冷電廠中換熱面積常常達(dá)到幾十萬(wàn)平方米。此時(shí)橢圓管的尺寸（長(zhǎng)、短軸之比）和翅片的 形狀、間距以及翅片與管子接觸的緊密程度對(duì)換熱性能有很重要的影響。隨著技術(shù)的發(fā)展,螺旋扁管、螺旋橢圓扁盤(pán)及交叉縮放橢圓管等也獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。五單相介質(zhì)對(duì)流換熱的耗功強(qiáng)化技術(shù)強(qiáng)化單相介質(zhì)對(duì)流換熱，除上面介紹的普遍應(yīng)用的無(wú)功方法外，針對(duì)一些特殊的換熱 問(wèn)題，也可采用耗功的強(qiáng)化方法。1. 機(jī)械攪拌法此法主要應(yīng)

24、用于強(qiáng)化容器中的對(duì)流換熱。 容器中的單相介質(zhì)對(duì)流換熱主要是自然對(duì)流， 這時(shí)換熱系數(shù)低，溫度分布很不均勻，采用機(jī)械攪拌法可以得到很好的效果。容器中的介質(zhì)粘度較低時(shí)，通常采用小尺寸的機(jī)械攪拌器。攪拌器的直徑d 一般為容器直徑D的1/41/2，攪拌葉片的高度，從底部算起約為液體總高度H的1/3。容器中為高粘度介質(zhì)時(shí)，則應(yīng)用比容器直徑略小的低速螺旋式或錨式攪拌器。在進(jìn)行攪拌器計(jì)算時(shí)應(yīng) 區(qū)分容器中的介質(zhì)是牛頓流體還是非牛頓流體，它們的計(jì)算方法是不同的。2. 振動(dòng)法有兩種振動(dòng)法，一種是使換熱面振動(dòng)，一種是使流體脈動(dòng)或振動(dòng)，這兩種方法均可強(qiáng) 化傳熱。（1）換熱面的振動(dòng)對(duì)于自然對(duì)流，實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)靜止流體中的水

25、平加熱圓柱體振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到臨 界值時(shí)，可以強(qiáng)化自然對(duì)流換熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)還證明圓柱體垂直振動(dòng)比水平振動(dòng)效果好。在 小振幅和高頻率時(shí)，振動(dòng)可使換熱系數(shù)增加 7-50%對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流，許多研究者證明，根據(jù)振動(dòng)強(qiáng)度和振動(dòng)系統(tǒng)的不同，換熱系數(shù)比不振 時(shí)可增大20%400%。值得注意的是，強(qiáng)制對(duì)流時(shí)換熱面的振動(dòng)有時(shí)會(huì)造成局部地區(qū)的壓 力降低到液體的飽和壓力，從而有產(chǎn)生汽蝕的危險(xiǎn)。（2）流體的振動(dòng)利用換熱面振動(dòng)來(lái)強(qiáng)化傳熱，在工程實(shí)際應(yīng)用上有許多困難，如換熱面有一定質(zhì)量， 實(shí)現(xiàn)振動(dòng)很難；且振動(dòng)還容易損壞設(shè)備，因此另一種方法是使流體振動(dòng)。對(duì)于自然對(duì)流，許多人研究了振動(dòng)的聲場(chǎng)對(duì)換熱的影響，一般根據(jù)具體條件的不同

26、， 當(dāng)聲強(qiáng)超過(guò)140分貝使可使換熱系數(shù)增加13倍。值得注意的是，采用聲振動(dòng)也有不少困難。實(shí)際應(yīng)用中如有可能首先應(yīng)用強(qiáng)制對(duì)流來(lái) 代替自然對(duì)流，或用機(jī)械攪拌，這樣才能更有效果。對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流，由于強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)已經(jīng)很高， 采用聲振動(dòng)時(shí)其效果并不十分顯著。 除了聲振動(dòng)外，其它的低頻脈動(dòng)（如泵發(fā)生的脈動(dòng)）也能起到類(lèi)似強(qiáng)化傳熱的作用。眾所周知，當(dāng)流體橫掠單管或管束時(shí)，由于漩渦脫落，湍流抖振，流體彈性激振及聲 共鳴等諸多原因，會(huì)引起管子產(chǎn)生振動(dòng)。這種振動(dòng)通常稱(chēng)之為流體誘導(dǎo)振動(dòng)，它常常是導(dǎo) 致?lián)Q熱器管子磨損、泄漏、斷裂的主要原因。因此在換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，人們都盡量采用各種 措施來(lái)避免流體的誘導(dǎo)振動(dòng)。能否利用上述

27、誘導(dǎo)振動(dòng)來(lái)強(qiáng)化傳熱呢？我國(guó)學(xué)者程林創(chuàng)新地提出并解決了這一問(wèn)題。 它設(shè)計(jì)了一種彈性盤(pán)管，該盤(pán)管有兩個(gè)自由端及兩個(gè)固定端，通過(guò)彈性盤(pán)管的曲率半徑、 管徑、管壁厚及端部附加質(zhì)量等參數(shù)的組合來(lái)得到一種最有利的固定頻率，同時(shí)，程林還 設(shè)計(jì)了一種脈動(dòng)流發(fā)生器，它將進(jìn)入換熱器的水流分成兩股，其中一股通過(guò)一正置三角塊 后，在下游方向就會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的脈動(dòng)流， 該脈動(dòng)流直接作用在彈性盤(pán)管的附加質(zhì)量端， 從而誘發(fā)彈性盤(pán)管發(fā)生周期性的振動(dòng)。這種流體振動(dòng)，換熱面也振動(dòng)的強(qiáng)化傳熱新方法， 幾乎不耗外功，卻能極大地提高換熱系數(shù)，根據(jù)這種原理設(shè)計(jì)的彈性盤(pán)管汽水加熱器，在 流速很低的情況下，可使傳熱系數(shù)達(dá)到 40005000

28、W/（m2C ），是普通管殼式換熱器的二 倍。現(xiàn)在這種換熱器已在供熱工程中得到了廣泛的應(yīng)用。3.添加劑法在流動(dòng)液體中加入氣體或固體顆粒，在氣體中噴入液體或固體顆粒以強(qiáng)化傳熱是此法 的特點(diǎn)。有的研究者提出在上升的水流中注入氮?dú)馀?，由于氣泡的擾動(dòng)作用可使換熱系數(shù)提高 50%。在油中加入呈懸浮狀態(tài)的聚苯乙烯小球，可是換熱系數(shù)提高40%。在實(shí)際應(yīng)用中，在氣體中噴入液體或固體顆粒是一種有前途的強(qiáng)化換熱的方法。如在 汽車(chē)散熱器的冷卻空氣中噴入水或乙烯乙二醇后，由于液體在散熱片中形成薄的液膜，液 膜吸熱蒸發(fā)以及蒸發(fā)時(shí)對(duì)邊界層的擾動(dòng)都可以增加傳熱。我們研究了豎夾層空間的自然對(duì)流，此時(shí)如果在豎夾層空間加入極少量

29、的水，由于水 在豎夾層空間一側(cè)沸騰蒸發(fā)，在另一側(cè)凝結(jié)，從而使換熱系數(shù)提高數(shù)倍。氣體中加入固體 顆粒亦能強(qiáng)化換熱。Babcock公司在氣體中加入石墨顆粒后發(fā)現(xiàn)換熱系數(shù)可提高9倍。現(xiàn)在沸騰床的迅速發(fā)展也與氣固混合流能強(qiáng)化傳熱有密切關(guān)系。4.抽壓法抽壓法多用于高溫葉片的冷卻。此時(shí)冷卻介質(zhì)通過(guò)抽吸或壓出的方法從葉片或管道的 多孔壁流出，由于冷卻介質(zhì)和受熱壁面的良好接觸能帶走大量熱量，并且冷卻介質(zhì)在壁上 形成的薄膜可把金屬表面和高溫工質(zhì)隔開(kāi)，從而對(duì)金屬起到了保護(hù)作用。此法在燃汽輪機(jī) 葉片的冷卻中已得到了廣泛的應(yīng)用。除了上述方法外還有使用換熱面在靜止流體中旋轉(zhuǎn)的方法，利用靜電場(chǎng)強(qiáng)化換熱的方 法，但它們的應(yīng)

30、用還十分有限。在工程應(yīng)用上，應(yīng)盡可能地根據(jù)實(shí)際情況，同時(shí)采用多種強(qiáng)化傳熱的方法，以求獲得 更好的效果。六沸騰換熱的強(qiáng)化沸騰是一種普遍的相變現(xiàn)象，在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用。沸騰換熱的特點(diǎn)是換熱系數(shù)很 高，在以往的應(yīng)用中人們認(rèn)為已不必進(jìn)行強(qiáng)化了，而把主要的注意力集中在單相介質(zhì)對(duì)流 換熱的強(qiáng)化上。但隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是高熱負(fù)荷的出現(xiàn)，相變傳熱（沸騰和凝結(jié)）的 強(qiáng)化日益受到重視并在工業(yè)上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。沸騰換熱的強(qiáng)化主要從增多汽化核心和提高汽泡脫離頻率兩方面著手，具體方法有粗 糙表面和對(duì)表面進(jìn)行特殊處理，擴(kuò)展表面，在沸騰液體中加添加劑等。下面介紹常用的強(qiáng) 化沸騰換熱的方法。1. 使表面粗糙和對(duì)表面進(jìn)

31、行特殊處理粗糙表面可使汽化核心數(shù)目大大增加，因此和光滑表面相比其沸騰換熱強(qiáng)度可以提高 許多倍。最簡(jiǎn)單的粗糙表面的辦法是用砂紙打磨表面或者采用噴砂的方法。在使壁面粗糙 度增加以強(qiáng)化沸騰換熱時(shí)，應(yīng)注意存在一極限的粗糙度，超過(guò)此之后，換熱系數(shù)就不再隨 粗糙度的增加而增加。此外增加粗糙度并不能提高沸騰的臨界熱負(fù)荷。工程上為增強(qiáng)沸騰換熱應(yīng)用最多的還是對(duì)表面進(jìn)行特殊處理。特殊處理的目的是使表 面形成許多理想的內(nèi)凹穴，這些理想的內(nèi)凹穴在低過(guò)熱度時(shí)就會(huì)形成穩(wěn)定的汽化核心；且 內(nèi)凹穴的頸口半徑越大，形成氣泡所需的過(guò)熱度就越低。因此這些特殊處理過(guò)的表面能在 低過(guò)熱度時(shí)形成大量的汽泡，從而大大地強(qiáng)化了泡狀沸騰過(guò)程。

32、實(shí)驗(yàn)證明，表面多孔管的 沸騰換熱系數(shù)可提高210倍。此外臨界熱負(fù)荷也相應(yīng)得到提高。在相同熱負(fù)荷下特殊處理 過(guò)的表面的傳熱溫差也比普通表面低的多。制造上述表面多孔管的方法很多，一種是在加熱面上覆蓋一層多孔覆蓋層；另一 種是對(duì)換熱面進(jìn)行機(jī)械加工以形成表面多孔管。（1）帶金屬覆蓋層的表面多孔管上世紀(jì)六十年代末在美國(guó)首先出現(xiàn)用燒結(jié)法制成的帶金屬覆蓋層的表面多孔管。除了 燒結(jié)法外還可采用火焰噴涂法、電鍍法等。一般講燒結(jié)法的效果最好。作為覆蓋層的材料 有銅、鋁、鋼、不銹鋼等。用燒結(jié)法制成的多孔管已在工業(yè)部門(mén)獲得廣泛的應(yīng)用。這種多 孔管一般可使沸騰換熱系數(shù)提高 4-10倍，從而推遲膜態(tài)沸騰的發(fā)生。（2）機(jī)械

33、加工的表面多孔管用機(jī)械加工方法可使換熱表面形成整齊的 T型凹溝槽。這種機(jī)械加工的表面多孔管亦 能大大強(qiáng)化沸騰換熱過(guò)程和提高臨界熱負(fù)荷值。對(duì)形狀和尺寸不同的凹溝槽，沸騰換熱系 數(shù)可提高2-10倍。用機(jī)械加工的方法還可克服燒結(jié)法帶來(lái)的表面孔層不均的缺點(diǎn)，且多孔層也不易阻塞。2. 采用擴(kuò)展表面用肋管代替光管可以增加沸騰換熱系數(shù)。這一方面是肋管與光管相比除具有較大的換 熱面積外，還可以增加汽化核心；另外肋片和管子連接處受到液體潤(rùn)濕作用較差，是良好 的吸附氣體的場(chǎng)所；加之肋片與肋片之間的空間里的液體三面受熱，易于過(guò)熱。以上這些 因素都促進(jìn)了氣泡的生長(zhǎng)，一般換熱系數(shù)可高 10%左右。對(duì)于管內(nèi)強(qiáng)制沸騰換熱，

34、通常還采用內(nèi)肋管或內(nèi)外肋管。這些內(nèi)肋片不但強(qiáng)化了沸騰 換熱過(guò)程，還強(qiáng)化了管內(nèi)單相介質(zhì)的對(duì)流換熱。因此在制冷和化工中應(yīng)用很廣，其中應(yīng)用的最多的是帶星形嵌入式的內(nèi)肋管，一般換熱系數(shù)可提高50%左右。3. 應(yīng)用添加劑在液體中加入氣體或另一種適當(dāng)?shù)囊后w亦可強(qiáng)化沸騰換熱。例如在水中加入合適的添 加劑（如各類(lèi)聚合物），有時(shí)可使沸騰換熱系數(shù)提高40%。值得注意的是，如液體和添加劑 配合不當(dāng)，反而會(huì)使換熱系數(shù)降低。在液體中加入固體顆粒，當(dāng)顆粒層的高度恰當(dāng)時(shí)亦可強(qiáng)化沸騰換熱，有時(shí)沸騰換熱系 數(shù)甚至可以比無(wú)顆粒層時(shí)高23倍。4 .其它強(qiáng)化沸騰換熱的方法前面介紹的強(qiáng)化單相介質(zhì)對(duì)流換熱的流體旋轉(zhuǎn)法對(duì)于強(qiáng)化管內(nèi)沸騰亦非

35、常有效，這時(shí) 可以在管內(nèi)插入扭帶，螺旋片或螺旋線圈，亦可采用螺旋槽管或內(nèi)螺紋管。它們不但能使 換熱系數(shù)提高（如扭帶可提高1015%，螺旋槽管可提高50%200%），還可提高臨界熱負(fù) 荷。七凝結(jié)換熱的強(qiáng)化凝結(jié)是工業(yè)中普遍遇到的另一種相變換熱過(guò)程，一般認(rèn)為凝結(jié)換熱系數(shù)很高，可以不必采用強(qiáng)化措施。但對(duì)氟里昂蒸汽或有機(jī)蒸汽而言，它們的凝結(jié)換熱系數(shù)比水蒸氣小的 多。例如對(duì)氟里昂，其凝結(jié)換熱系數(shù)僅為其另一側(cè)水冷卻換熱系數(shù)的1/41/3。在這種情況下強(qiáng)化凝結(jié)換熱仍然是非常必要的。對(duì)空冷系統(tǒng)而言，由于管外側(cè)空氣的肋化系數(shù)非常之 高，強(qiáng)化管內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)換熱也仍然是有利的。1. 管外凝結(jié)換熱的強(qiáng)化（1）冷卻表面的特殊處理對(duì)冷卻表面的特殊處理，主要是為了在冷卻表面上產(chǎn)生珠狀凝結(jié)。珠狀凝結(jié)的換熱系 數(shù)可比通常的膜狀凝結(jié)高510倍，由于水和有機(jī)液體能潤(rùn)濕大部分的金屬壁面，所以應(yīng)采用特殊的表面處理方法（化學(xué)覆蓋法、聚合物涂層法