強(qiáng)化傳熱 文獻(xiàn)綜述

1、 華北電力大學(xué)研究生結(jié)課作業(yè)學(xué) 年 學(xué) 期：20142015第二學(xué)期課 程 名 稱：強(qiáng)化傳熱 學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號(hào)： 提 交 時(shí) 間：2015.3.26 強(qiáng)化傳熱文獻(xiàn)綜述 摘要：研究各種傳熱過程的強(qiáng)化問題來設(shè)計(jì)新穎的緊湊式換熱器，不僅是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過程中必須解決的課題，同時(shí)也是開發(fā)新能源和開展節(jié)能工作的緊迫任務(wù)，因而研究和開發(fā)強(qiáng)化傳熱技術(shù)對(duì)于發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的意義是十分重要的。本文主要總結(jié)了管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱和強(qiáng)制對(duì)流沸騰換熱、管束中強(qiáng)制對(duì)流換熱、大容器沸騰換熱和凝結(jié)換熱的強(qiáng)化方法。以及管殼式換熱器和管內(nèi)置擾流元件的強(qiáng)化傳熱的研究進(jìn)展。 關(guān)鍵詞：強(qiáng)化傳熱；粗糙表面法；擴(kuò)展表面法；擾流元件；機(jī)械強(qiáng)化

2、法;靜電場(chǎng)法引言 工質(zhì)的流動(dòng)和傳熱在動(dòng)力、核能、制冷、化工、石油乃至航空、火箭和航空等工業(yè)中是常見的。這些工業(yè)的換熱設(shè)備中廣泛存在著各種傳熱問題。以動(dòng)力工業(yè)中的火力發(fā)電廠為例，蒸汽鍋爐本身就是一個(gè)大型復(fù)雜換熱面。燃料在爐膛中燃燒生產(chǎn)的熱量，需要應(yīng)用多種傳熱方式，通過爐膛散熱面、對(duì)流蒸發(fā)受熱面、過熱器及省煤器加熱工質(zhì)，是工質(zhì)汽化、過熱成為能輸往蒸汽輪機(jī)的符合要求的過熱蒸汽。此外，在鍋爐尾部還裝有利用排出煙氣加熱燃燒所需空氣的空氣預(yù)熱器。在電廠的熱力系統(tǒng)中還裝有各式給水加熱器、蒸汽凝結(jié)器、燃油加熱器等。在這些設(shè)備中也都存在各種各樣的傳熱問題。換熱器的合理設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)和改進(jìn)對(duì)于節(jié)省資金、能源、金屬和空

3、間而言是十分重要的。1 強(qiáng)化傳熱的目的和意義1.1目的 減小初設(shè)計(jì)的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；使換熱器能在較低溫差下工作；減少換熱器的阻力，以減少換熱器的動(dòng)力消耗。1.2意義 研究各種傳熱過程的強(qiáng)化問題來設(shè)計(jì)新穎的緊湊式換熱器，不僅是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過程中必須解決的課題，同時(shí)也是開發(fā)新能源和開展節(jié)能工作的緊迫任務(wù)，因而研究和開發(fā)強(qiáng)化傳熱技術(shù)對(duì)于發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的意義是十分重要的。2換熱器中強(qiáng)化傳熱的途徑及分類2.1途徑： 增加平均傳熱溫差；擴(kuò)大換熱面積；提高傳熱系數(shù)。2.2分類 從被強(qiáng)化的傳熱過程來分，可分為導(dǎo)熱過程的強(qiáng)化、單相對(duì)流換熱過程的強(qiáng)化、沸騰傳熱過程的強(qiáng)化

4、、凝結(jié)傳熱過程的強(qiáng)化和輻射傳熱過程的強(qiáng)化。 從提高傳熱系數(shù)的各種強(qiáng)化傳熱技術(shù)來分，可分為有功技術(shù)和無(wú)功技術(shù)兩類。有功強(qiáng)化傳熱技術(shù)包括：機(jī)械強(qiáng)化法、振動(dòng)強(qiáng)化法、靜電場(chǎng)法和抽壓法等。無(wú)功強(qiáng)化傳熱技術(shù)包括：表面特殊處理法、粗糙表面法、擴(kuò)展表面法、裝置強(qiáng)化元件法和加入擾動(dòng)流體法等。3提高傳熱系數(shù)來強(qiáng)化傳熱的技術(shù)3.1單相流管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱的有效強(qiáng)化方法 使管內(nèi)流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)可是貼近壁面的流體速度增加，同時(shí)還改變了整個(gè)流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在采用各種有效的使流體旋轉(zhuǎn)的措施后，增加了旋轉(zhuǎn)流體的流動(dòng)路徑，加強(qiáng)了邊界層流體的擾動(dòng)以及邊界從流體和主流流體的混合，因而使傳熱過程得以強(qiáng)化。具體可行的方法有

5、：在管內(nèi)插入各種可使流體旋轉(zhuǎn)的插入物，諸如紐帶、錯(cuò)開紐帶、靜態(tài)混合器、螺旋片以及螺旋線圈等；在管子內(nèi)壁上開設(shè)內(nèi)螺紋；采用滾壓成型的螺旋槽管和在管壁上帶螺旋內(nèi)肋片的內(nèi)肋管。3.1.1扭帶 插入管內(nèi)的扭帶和流體相互作用會(huì)引起旋轉(zhuǎn)流體中生成復(fù)雜的二次流漩渦現(xiàn)象。同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)邊界層中流動(dòng)緩慢的流體和流核區(qū)流體相互混合的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象無(wú)疑將使流動(dòng)阻力增大。我們將這一附加阻力增量稱為旋轉(zhuǎn)流體的漩渦流動(dòng)損失。管內(nèi)插入扭帶以強(qiáng)化傳熱的方法存在一定的缺點(diǎn)。當(dāng)換熱器管子中采用插入扭帶的方法來強(qiáng)化傳熱過程中，常須消耗大量鋼板。此外當(dāng)Re數(shù)增大時(shí)，采用扭帶插入物的強(qiáng)化傳熱效果將減小。再者，扭帶插入管子后，將管子通道分

6、隔成兩部分。當(dāng)這種管子用于臟流體時(shí)，易造成管子堵塞。3.1.2螺旋片和螺紋槽管在管內(nèi)插入螺旋片和采用壓制而成的螺紋槽管以強(qiáng)化傳熱，就可以改進(jìn)這些缺點(diǎn)。螺旋片的寬度h和螺紋槽管的螺紋高度比管子內(nèi)直徑小得多，所以制造所需金屬量要比紐帶少得多。螺旋片插入物和螺紋槽管的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，是同時(shí)應(yīng)用了使流體旋轉(zhuǎn)和使流體周期性地在螺旋凸出物區(qū)域受到擾動(dòng)的原理來強(qiáng)化傳熱，所以能保持較高的傳熱強(qiáng)度。對(duì)插有紐帶管子的紊流強(qiáng)度分布進(jìn)行的測(cè)定表明，管中近壁區(qū)的紊流強(qiáng)度較弱。因而，要強(qiáng)化傳熱主要應(yīng)使這一區(qū)域中的流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，以增加其紊流強(qiáng)度而不需使全部流體旋轉(zhuǎn)。紐帶的作用是使全部流體旋轉(zhuǎn)，因而阻力較大。流體在插有螺旋片的

7、管子和螺紋槽管中流動(dòng)時(shí)，流體的旋轉(zhuǎn)主要發(fā)生在強(qiáng)化傳熱所需要擾動(dòng)的近壁區(qū)域。因而與插有紐帶的管子相比，在高雷諾數(shù)時(shí)，這兩種管子能在低阻力損失情況下，保持和插有紐帶管相近的傳熱效果。3.1.3螺旋線圈或靜態(tài)混合器在管內(nèi)插入螺旋線圈或插入靜態(tài)混合器也可有效地增強(qiáng)傳熱效果。螺旋線圈由直徑為3mm以下的銅絲或鋼絲按一定節(jié)距繞成。將金屬螺旋線圈插入并固定在管內(nèi)，即可構(gòu)成一種強(qiáng)化傳熱管。靜態(tài)混合器是由一系列串聯(lián)布置的左、右扭轉(zhuǎn)180度的短扭轉(zhuǎn)元件組成。每一原件的前緣與前一元件的后緣互成90度接觸。每一元件扭轉(zhuǎn)180度，其長(zhǎng)度和管子內(nèi)直徑的比為1.5。前一元件為右旋，后一元件為左旋。各元件互相焊成一體插入管內(nèi)

8、構(gòu)成一種強(qiáng)化傳熱管。在插有螺旋線圈的管子中，在近壁區(qū)域，流體一面由于螺旋線圈的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一面還周期性地受到線圈的螺旋金屬絲的擾動(dòng)，因而可以是傳熱強(qiáng)化。由于繞制線圈的金屬絲直徑較細(xì)，流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度也較弱，所以這種管子的流動(dòng)阻力相對(duì)較小。螺旋線圈自身所起的肋片傳熱效應(yīng)不大，可略而不計(jì)。關(guān)于靜態(tài)混合器強(qiáng)化傳熱的機(jī)理，現(xiàn)在一般認(rèn)為是這樣的，流體流入第一個(gè)元件時(shí)被分為兩股，各自在相應(yīng)的半圓形流道內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)流體流到下一個(gè)元件時(shí)，這兩股流體再次被分隔。由于下一個(gè)元件的旋轉(zhuǎn)方向相反，因而使流體質(zhì)點(diǎn)沿流程交替地由管子中心流向管壁以及按相反的方向流動(dòng)。在這種流動(dòng)過程中，流體經(jīng)過反復(fù)不斷的分割和正反方向的

9、旋轉(zhuǎn)使流體得到均勻的徑向混合。這種流動(dòng)過程中，流體經(jīng)過反復(fù)不斷的分割和正反方向的旋轉(zhuǎn)使流體得到了均勻的徑向混合。這種流體方式有效地加強(qiáng)了主流和近壁區(qū)域的徑向混合，減小了流體在徑向的溫度差和速度差，從而強(qiáng)化了傳熱。3.1.4內(nèi)肋管采用內(nèi)肋管也可增強(qiáng)換熱量。應(yīng)用內(nèi)肋可起到兩個(gè)作用，一是提高管內(nèi)工質(zhì)到管壁的換熱系數(shù)；另一是降低管壁溫度。直的內(nèi)肋管不擾動(dòng)管內(nèi)的流動(dòng)，螺旋內(nèi)肋管中的流動(dòng)工況和螺紋槽管的相似。管內(nèi)存在肋片后，由于濕周增大，所以通道截面的當(dāng)量直徑減小。由于當(dāng)量直徑的減小和內(nèi)壁換熱面積的增大，使直內(nèi)肋管的換熱系數(shù)高于光管的。因而在相同的換熱量時(shí)，與光管相比可保持較低的管壁溫度。螺旋內(nèi)肋管也同樣

10、具有這樣的作用。3.2單相流體在管束中的強(qiáng)制對(duì)流換熱的強(qiáng)化 在各種換熱器中，管子的排列方式一般有兩種：順列和叉列。流體流過管束的基本方式也有兩種，當(dāng)流體流動(dòng)方向和管束軸線平行時(shí)，這種流動(dòng)方式稱為縱向沖刷；當(dāng)流動(dòng)方向和管束軸線垂直時(shí)，則稱為橫向沖刷。橫向沖刷的流動(dòng)工況和傳熱工況比較復(fù)雜，收到管束排列方式、管子間距大小和沿流動(dòng)方向上管子排數(shù)的影響。當(dāng)流體橫向沖刷順列管束時(shí)，從第二排起，每排管子正對(duì)來流的一面位于前排管子的漩渦尾流內(nèi)，受到流體的沖刷情況較差。而管子與管子之間（垂直流動(dòng)方向上）的流體卻受到管壁的干擾較小，流動(dòng)方向較穩(wěn)定。當(dāng)流體流過叉列管束時(shí)，各排管子受到的沖刷情況大致相同。各處流體混合

11、情況較順列時(shí)有所改善，因而平均換熱系數(shù)一般比順列的高。3.2.1人工粗糙度單相流體管束傳熱的較實(shí)用強(qiáng)化方法為采用擴(kuò)展換熱面及在管子外壁上增加人工粗糙度。采用合適的擴(kuò)展表面后，可以提高換熱器的換熱量，降低換熱器的壁面溫度，使換熱器價(jià)格下降，因而在換熱器中擴(kuò)展換熱面得到廣泛應(yīng)用。暖氣設(shè)備上的散熱片、發(fā)電機(jī)氣體冷卻器中的肋片管、汽車上的散熱器、大型鍋爐中的肋片管以及其它工業(yè)換熱器中應(yīng)用的各式肋片管均屬此列。在管子外壁覆蓋方格鐵絲網(wǎng)或繞上金屬絲等，都可增加管束的換熱量。3.2.2橫紋槽管應(yīng)用橫紋槽管可以強(qiáng)化縱向沖刷管束，且有以下優(yōu)點(diǎn)：1、橫紋槽管不像外肋管那樣會(huì)增加管子的周向尺寸，從而使管子難以布置緊

12、湊，橫紋槽管可用于緊湊式換熱器；2、橫紋槽管在管內(nèi)形成周向突出物，可同時(shí)加強(qiáng)管內(nèi)換熱；3、制造及裝配工藝簡(jiǎn)單。3.2.3周向肋片管橫向沖刷周向肋片管管束的傳熱效果與光管管束的相比是顯著的。對(duì)于順列管束而言，有相當(dāng)一部分肋片換熱面處于低速漩渦區(qū)。因而順列周向列片管束的平均換熱系數(shù)較低。在漩渦區(qū)和死滯區(qū)外面，尤其在肋尖處流速較高。因而在順列管束中，在低速漩渦區(qū)和死滯區(qū)流體迅速受熱，溫度較高，而在流速較高處，則流體溫度較低。這兩種流體混合不良。在叉列周向肋片管中，流體混合情況就好得多，因而傳熱效果也好。3.2.4鱗片管和膜式管束應(yīng)用鰭片管束可以減小部件尺寸，減小價(jià)格較高的承壓管子金屬消耗量。管內(nèi)的水

13、阻力和管外的煙氣流動(dòng)阻力也相應(yīng)降低。鰭片管的排列，可以是順列，也可以是叉列的。前者用于煙氣溫度較高的污染流體中。順列管束不易結(jié)渣，單傳熱效果不如叉列管束，所以用得較少。鰭片管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，宜于在含灰的鍋爐煙氣中使用。鱗片管的主要缺點(diǎn)為背向來流的鰭片傳熱效果不好，而且在鍋爐中應(yīng)用時(shí)，管束的支撐需要專用的耐高溫的支撐設(shè)備。因而隨后又發(fā)展了膜式管束結(jié)構(gòu)。在膜式管束中，各種縱向外肋片將管束中每列管子整個(gè)焊成一片。擾動(dòng)型膜式管束用皺紋膜片和管子相焊，以便增強(qiáng)流體擾動(dòng)，改進(jìn)傳熱。帶假管的膜式管束試圖進(jìn)一步減小承壓管子的材料消耗量。透鏡型膜式管束試圖進(jìn)一步減少煙氣流動(dòng)阻力。在實(shí)際工程應(yīng)用中，平膜式管束因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

14、單，運(yùn)行可靠而應(yīng)用最廣。3.3單相流體對(duì)流換熱的其它強(qiáng)化方法 用有功強(qiáng)化傳熱技術(shù)來強(qiáng)化單相流體作自然對(duì)流以及強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的傳熱。此類方法都需要應(yīng)用外部能量來達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，其中包括有：機(jī)械攪拌法、換熱面旋轉(zhuǎn)法、振動(dòng)強(qiáng)化法、電場(chǎng)法、加入添加劑法以及抽壓法等。 混合容器中單相流體的換熱主要是自然對(duì)流換熱、換熱系數(shù)低，溫度分布很不均勻。因而，如何強(qiáng)化容器中的換熱是一個(gè)重要的工業(yè)生產(chǎn)問題。較大的工業(yè)容器一般應(yīng)用機(jī)械攪拌法進(jìn)行強(qiáng)化傳熱。如容器中的工質(zhì)為低粘度液體，一般采用高速小尺寸機(jī)械攪拌器，此時(shí)，攪拌過程將在高雷諾數(shù)的紊流狀態(tài)下進(jìn)行。如容器中的工質(zhì)為高粘度液體，應(yīng)用小尺寸的攪拌器一般效果不大。于是，

15、通常應(yīng)用低速錨式和螺旋式攪拌器。這些攪拌器的直徑比容器直徑略小，在攪拌器和容器壁之間存在一小間隙。螺旋式攪拌器與錨式攪拌器相比，具有使頂部和底部流體加強(qiáng)混合的優(yōu)點(diǎn)，但制造價(jià)格較貴。采用者兩種攪拌器時(shí)，在容器壁上都不需裝肋片。此外，在采用螺旋式攪拌器時(shí)，常難以應(yīng)用螺旋管換熱設(shè)備，一般常應(yīng)用容器夾層換熱設(shè)備。利用振動(dòng)強(qiáng)化單相流體對(duì)流換熱的方法可分為兩種：一種是使換熱面振動(dòng)以強(qiáng)化傳熱；另一種是使流體脈動(dòng)或振動(dòng)以強(qiáng)化傳熱。研究表明，不管是換熱面振動(dòng)還是流體振動(dòng)，對(duì)單相流體的自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流換熱都是有強(qiáng)化作用的。在流體中加一靜電場(chǎng)以強(qiáng)化單相流體的對(duì)流換熱是一種有吸引力的強(qiáng)化傳熱方法。這種方法對(duì)氣體和液

16、體的自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流都能產(chǎn)生一定的強(qiáng)化傳熱效應(yīng)。在靜止的流體中加上足夠強(qiáng)度的靜電場(chǎng)后，會(huì)促進(jìn)流體流動(dòng)，形成一股所謂的電暈風(fēng)。這股電暈風(fēng)在一定條件下恩能夠強(qiáng)化單相流體的對(duì)流換熱。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加入固體顆粒，都可起到強(qiáng)化單相流體強(qiáng)制對(duì)流換熱的作用。這些強(qiáng)化傳熱的方法統(tǒng)稱為添加劑法。另一種強(qiáng)化傳熱的方法稱為抽壓法，多用于冷卻受到高溫作用的空心葉片的場(chǎng)合。此法是使冷卻介質(zhì)通過抽吸或壓出的方法經(jīng)葉片或管道的多孔壁面流出。這種冷卻方式可以使換熱系數(shù)大為增高，使金屬壁溫保持在適宜的水平。3.4大容器沸騰換熱強(qiáng)化方法 有表面粗糙法、表面特殊處理法、擴(kuò)展表面法、添加劑法、機(jī)

17、械攪拌法、振動(dòng)法、靜電場(chǎng)法和抽壓法等。強(qiáng)化傳熱的目的在于增強(qiáng)換熱、提高換熱系數(shù)。3.4.1表面粗糙法應(yīng)用表面粗糙法能有效地強(qiáng)化汽泡狀沸騰換熱過程，但要注意強(qiáng)化效應(yīng)的持久性問題。增加粗糙度能使沸騰換熱系數(shù)增高，但有一極限粗糙度，超過此值后，換熱系數(shù)不再隨粗糙度增加而增高。此外，增加粗糙度并不能提高臨界熱流密度的數(shù)值。由于影響表面粗糙法的因素很多，因而至今還無(wú)法確定一種最優(yōu)的粗糙壁面，還需作進(jìn)一步的研究。3.4.2內(nèi)凹穴在表面凹凸不平的換熱面上汽泡最易在表面的圓錐形凹穴中形成，因?yàn)榘佳ㄒ子谖綒怏w使之成為形成汽泡的胚胎。但是，進(jìn)一步研究表明，普通換熱表面上的圓錐形凹穴并非理想的穩(wěn)定汽化核心，因?yàn)橐?/p>

18、于發(fā)生表面老化現(xiàn)象。隨后的研究表面，內(nèi)凹穴是較為理想的穩(wěn)定汽化核心。表面多孔換熱面具有大量尺寸較大的穩(wěn)定汽化核心，因而可以使工質(zhì)在過熱度很小的工況下產(chǎn)生大量汽泡，強(qiáng)化了汽泡狀沸騰換熱過程。制造表面多孔換熱面的制造方法總的來說可以分為兩類：一類為在換熱面表面上用各種方法加一層多孔覆蓋物，這樣制成的換熱面稱為帶覆蓋層的表面多孔換熱面；另一類為在換熱面表面上用機(jī)械加工方法加工成所需的內(nèi)凹穴，這樣制成的換熱面稱為機(jī)械加工表面多孔換熱面。帶覆蓋層的表面多孔換熱面又可分為帶金屬覆蓋層和帶非金屬覆蓋層的兩種。3.4.3外肋管應(yīng)用擴(kuò)展表面法以強(qiáng)化傳熱，一般用外肋管代替光管，可以增加大容積沸騰換熱系數(shù)。其原因在

19、于一方面外肋管比之光管具有較大的換熱面積，所以增加了實(shí)際汽化核心；另一方面，肋片和管子基體連接處受到液體的濕潤(rùn)作用較差，是良好的吸附氣體場(chǎng)所，此外，肋片與肋片之間的空間里由于液體三明受熱，最易過熱。由于外肋管比之光管具有這些有利于汽泡成長(zhǎng)和長(zhǎng)大的優(yōu)越條件，使外肋管比光管易于起沸，能保持穩(wěn)定沸騰，并具有較高換熱系數(shù)。3.4.4添加劑法在液體中加如氣體或另一種合宜的液體以強(qiáng)化傳熱的方法，對(duì)大容積沸騰換熱是適用的。在液體中加入氣體有利于汽化核心的汽化，加入含揮發(fā)分多的液體以及可以增加液體對(duì)金屬濕潤(rùn)性能的液體，也可以起到增加活化的汽化核心和汽泡脫離頻率的作用，因而都能強(qiáng)化沸騰換熱過程。在液體中加入固體

20、顆粒以強(qiáng)化傳熱，試驗(yàn)表明，帶固體顆粒層的大容積沸騰換熱，不僅能提高換熱系數(shù)，并且能使換熱面在大氣壓和低壓運(yùn)行時(shí)不結(jié)垢。3.4.5機(jī)械方法用機(jī)械方法攪拌大容積中的液體，能使液體得到一強(qiáng)制對(duì)流速度。這一方法對(duì)于加強(qiáng)低熱負(fù)荷沸騰換熱和提高臨界熱流密度是有效的，但是對(duì)于充分發(fā)展了的汽泡狀沸騰作用很小。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)換熱面的方法也能提高沸騰換熱系數(shù)和臨界熱流密度值。另一種應(yīng)用機(jī)械擾動(dòng)方法以增強(qiáng)換熱的措施是在換熱面附近引入汽泡。3.5管道中強(qiáng)制對(duì)流沸騰換熱的強(qiáng)化傳熱方法換熱面表面粗糙法對(duì)于強(qiáng)化大容器沸騰換熱是有效的，但是用于強(qiáng)化管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰換熱則效應(yīng)較差。當(dāng)工質(zhì)流速較低時(shí)，表面粗糙法還有一些強(qiáng)化作用，但是流

21、速略增，強(qiáng)化作用即消失。采用換熱面表面特殊處理法也可提高管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰換熱系數(shù)。由于管道內(nèi)較難進(jìn)行機(jī)械加工，一般都采用燒結(jié)法使管子內(nèi)壁形成一層多孔金屬覆蓋層。研究表明，可使管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰換熱系數(shù)顯著提高。在管道內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰換熱情況下，應(yīng)用流體旋轉(zhuǎn)法有兩個(gè)目的：一是提高管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰換熱系數(shù)；另一個(gè)是提高臨街熱流密度值，推遲或防止換熱系數(shù)惡化的發(fā)生。后一目的對(duì)于在高熱流密度工況下運(yùn)行的鍋爐、核反應(yīng)堆中的沸騰管道尤為重要。使管內(nèi)液體旋轉(zhuǎn)的方法很多，如在管內(nèi)插入扭帶、螺旋片、螺旋線圈，采用螺紋槽管、螺旋內(nèi)肋管和內(nèi)螺紋管等。在管道內(nèi)要擴(kuò)展換熱面只有采用內(nèi)肋管。當(dāng)工質(zhì)在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流沸騰換熱是也

22、廣泛應(yīng)用內(nèi)肋管以強(qiáng)化沸騰換熱過程。例如，在制冷蒸發(fā)器中，當(dāng)制冷劑在管內(nèi)沸騰時(shí)常應(yīng)用內(nèi)肋管以強(qiáng)化沸騰換熱過程。3.6凝結(jié)換熱的強(qiáng)化方法水平圓管管外膜狀凝結(jié)換熱的強(qiáng)化方法：冷卻表面特殊處理法、冷卻表面粗糙法、擴(kuò)張表面法、螺紋槽管、在管外加螺旋線圈。對(duì)于垂直布置的換熱面，應(yīng)用縱槽管可以利用凝結(jié)液的表面張力來促進(jìn)凝結(jié)液的排泄是一種有效的強(qiáng)化凝結(jié)傳熱的措施。如將螺紋槽管垂直布置，管內(nèi)流動(dòng)單相冷卻工質(zhì)，管外凝結(jié)蒸汽，則這種管子不僅凝結(jié)換熱系數(shù)比光管高，而且綜合考慮管內(nèi)換熱系數(shù)后的傳熱系數(shù)也比光管高的多。垂直螺紋槽管之所以能強(qiáng)化凝結(jié)換熱是由于凝結(jié)液不能在管子上停留過久，由于螺紋槽道的作用，管子上的凝結(jié)液體會(huì)

23、迅速順著螺紋脫離冷卻壁面，而不會(huì)像縱槽管和光管的情況那樣使凝結(jié)液體一直流到管子下部再排走，所以整個(gè)螺紋管有較多的冷卻壁面直接和蒸汽接觸。管內(nèi)凝結(jié)過程的強(qiáng)化方法：擴(kuò)展表面法、插入扭帶法、表面粗糙法、管子旋轉(zhuǎn)法；流體振動(dòng)法和靜電場(chǎng)法等。4強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展4.1管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱進(jìn)展4.1.1管程強(qiáng)化傳熱（1）螺旋槽管 螺旋槽管是通過專用軋管設(shè)備將圓管在其表面滾壓出螺旋線形的凹槽，管子內(nèi)部形成螺旋線形凸起，如圖 1 所示，管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)時(shí)受螺旋線型槽紋的導(dǎo)向使靠近管壁的部分介質(zhì)沿槽紋方向螺旋流動(dòng)，這就使得邊界層的厚度較大程度的減薄，提高換熱的效果；部分介質(zhì)沿著壁面縱向運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過槽紋凸起處產(chǎn)生縱向漩

24、渦，促使邊界層分層，加速邊界層中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而加快了管壁處介質(zhì)與主體介質(zhì)的熱量傳遞。（2）波紋管 波紋管是將管子加工成內(nèi)外均呈連續(xù)波紋曲線的一種強(qiáng)化管，如圖 2 所示，使管子的縱向截面呈波形，由相切的大小圓弧構(gòu)成，管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)不斷變化， 使流體的湍流程度增加從而強(qiáng)化傳熱，西安交通大學(xué)對(duì)北京廣廈環(huán)宇熱力設(shè)備開發(fā)有限公司生產(chǎn)的不銹鋼薄壁波紋管換熱器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以水為介質(zhì)時(shí)，管內(nèi)傳熱系數(shù)是光管的 1.82.8倍，以機(jī)油為介質(zhì)時(shí)為 2.12.4 倍，以煤油為介質(zhì)時(shí)為 2.23.2 倍，材料為碳鋼時(shí)傳熱系數(shù)約為光管的 1.52 倍 。（3）內(nèi)插物管 這種強(qiáng)化傳熱方法是基于管內(nèi)插入物能使介

25、質(zhì)產(chǎn)生渦旋運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)流體的徑向混合，有助于介質(zhì)速度和溫度均勻分布，以增強(qiáng)傳熱，內(nèi)插物管尤其對(duì)低雷諾數(shù)、高黏度流體的傳熱更為有效。插入物的種類很多，如螺旋線、扭帶、螺旋片等，實(shí)驗(yàn)表明，在層流換熱時(shí)，管內(nèi)插入扭帶后，對(duì)流傳熱系數(shù)可增大23倍。4.1.2 殼程強(qiáng)化傳熱 根據(jù)間壁傳熱原理分析，傳熱效果相對(duì)較低一側(cè)在大程度上影響著換熱設(shè)備的換熱效率，而這一側(cè)通常位于殼程，于是研究開發(fā)出了折流桿式、螺旋折流板式、曲面弓形折流板等換熱器。（1）折流桿換熱器折流桿換熱器主要是將殼程的折流板改用折流桿來固定管束，每根換熱管由四根桿條從上下左右四個(gè)方向固定，使管子在流體的作用下不易產(chǎn)生振動(dòng)。20 世紀(jì)中后期，

26、美國(guó)飛利浦石油公司為了改善管殼式換熱器中換熱管與折流板間的相互切割磨損和流體誘導(dǎo)震動(dòng)，研制了殼程介質(zhì)呈縱向流的折流桿式換熱器，如菲利普公司使用螺紋管作為換熱管，比傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器傳熱系數(shù)提高30%左右，壓降減少50%。目前，一些單位把圓鋼條變?yōu)楸怃摋l、波形扁鋼、準(zhǔn)橢圓截面的桿等，都取得了良好的效果，通常情況下，這種結(jié)構(gòu)只適用于大流量的情況6。圖 1 折流桿換熱器（2） 螺旋折流板換熱器螺旋折流板換熱器采用若干塊1/4殼程截面的扇形板組裝成螺旋狀折流板，如圖2所示，使殼程介質(zhì)呈螺旋狀流動(dòng)，其介質(zhì)流動(dòng)的返混較少，幾乎不存在死區(qū)，同時(shí)在離心力的作用下介質(zhì)與換熱管接觸后會(huì)脫離管壁而產(chǎn)生尾流， 使

27、邊界層分離充分，改善了傳熱效果，相同流量條件下壓降最大可以降低 45%；同時(shí)螺旋折流板又能在較低壓降下使介質(zhì)產(chǎn)生較大的流速，提高了雷諾數(shù)，從而使得傳熱數(shù)顯著提高，傳熱系數(shù)可提高20%30%；最大特點(diǎn)是單位壓降下的換熱系數(shù)高，螺旋折流板換熱器尤其適用于殼程壓力、污垢熱阻、流體誘導(dǎo)震動(dòng)要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)合，對(duì)于高粘度流體效果更加突出7。圖 5 螺旋折流板換熱器（3） 曲面弓形折流板換熱器 曲面弓形折流板換熱器是一種新型管殼式換熱器，折流板的曲面是圓弧面，每塊折流板曲面外凸側(cè)朝向殼程流體進(jìn)口，利用圓弧形折流板使被導(dǎo)流后的殼程流體流動(dòng)曲線趨于光滑，并與介質(zhì)流通通道相一致，顯著改善殼程介質(zhì)的流速分布情況，

28、流動(dòng)死區(qū)、傳熱死區(qū)明顯減少，與傳統(tǒng)弓形折流板換熱器相比，曲面弓形折流板換熱器殼程膜傳熱系數(shù)增加 3%11%，壓降下降了 9%24%8,9。4.1.3整體強(qiáng)化 整體強(qiáng)化通常是將管程和殼程強(qiáng)化聯(lián)合起來，從而取得更高的強(qiáng)化傳熱效果，例如，螺旋折流板與波紋管相結(jié)合，或者折流桿與波紋管相結(jié)合等；還有一種就是通過改變管子形狀使得管殼程傳熱均得以強(qiáng)化，例如，螺旋扁管換熱器、變截面管換熱器、交錯(cuò)扁管換熱器等。（1）螺旋扁管 螺旋扁管換熱器是瑞典 Allares 公司近年來推出的一種高效換熱元件。螺旋扁管換熱器的換熱管采用螺旋扁管，螺旋扁管是把圓管在壓扁的同時(shí)進(jìn)行 360扭曲，相鄰管子保持螺旋線點(diǎn)接觸以支撐管子

29、，管內(nèi)外均形成螺旋形通道，介質(zhì)呈螺旋狀運(yùn)動(dòng)，由于離心力的作用，介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)速度和方向發(fā)生周期性的改變，增強(qiáng)了介質(zhì)的徑向混合和湍流程度，強(qiáng)化傳熱過程10,11,12,13，而且殼程介質(zhì)整體上呈縱向流動(dòng)狀態(tài)，也大大降低了管束震動(dòng)；由于流體的螺旋運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，湍流程度較大，還可以改善殼程中常出現(xiàn)的油污附著換熱管表面和雜質(zhì)沉積對(duì)傳熱不利的現(xiàn)象；殼程中沒有折流板，無(wú)流動(dòng)死區(qū)，使得傳熱面積充分利用，壓降降低，這些都有效地提高了設(shè)備的整體傳熱效果。（2）變截面管式 變截面管與螺旋扁管的傳熱機(jī)理基本相似，均是通過改變管型強(qiáng)化傳熱。變截面管靠凸起部分與相鄰管子接觸支撐管子，殼程中不設(shè)置折流板，相鄰管子中心距小，管子布

30、置緊密，單位體積內(nèi)的換熱面積增加；由于相鄰管子中心距小，殼程流速得到提高，湍流程度加強(qiáng)，減薄了管壁上的邊界層，提高傳熱效率；同時(shí)由于換熱管形狀的連續(xù)變化，強(qiáng)化了管內(nèi)、外介質(zhì)的換熱。4.2管內(nèi)擾流元件的強(qiáng)化傳熱的研究進(jìn)展4.2.1常規(guī)擾流元件 處于層流、過渡狀態(tài)的流體以及易結(jié)垢的物系，其換熱效率一般較低，在系統(tǒng)壓降容許的范圍內(nèi)，管內(nèi)擾流技術(shù)是一種可有效提高傳熱效率的方式 。常規(guī)的擾 流元件有彈簧、扭曲帶、線圈與螺旋帶等。 AbuKhader等1研究發(fā)現(xiàn)由于引起的壓力降增加明顯，在湍流狀態(tài)下使用扭曲帶是不經(jīng)濟(jì)的。同時(shí)，換熱管管徑越小，引起的壓力降損耗增加越明顯，除非應(yīng)用系統(tǒng)能承受壓力降增加帶來的損

31、耗。Bas等以空氣為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)扭曲帶與管壁之間的空隙越小，扭曲帶的強(qiáng)化傳熱效果越好；扭曲帶的扭距對(duì)強(qiáng)化傳熱效果的影響要大于其與管壁間隙的影響；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)扭曲帶扭距小于3時(shí)，隨著Re的增大，扭曲帶的強(qiáng)化傳熱效果增強(qiáng)，而當(dāng)Re 超過15000時(shí)，扭曲帶的強(qiáng)化傳熱效果趨于恒定。Padhi等則研究了扭曲帶在氣、固流化床中作為擋板時(shí)的作用，發(fā)現(xiàn)扭曲帶可以減小床層波動(dòng)與膨脹比，使床層流化狀態(tài)優(yōu)化，但同時(shí)也使床層壓降顯著增加。 Ritchie等2綜述了采用激光多普勒測(cè)速(LDV) 與粒子成像測(cè)速(PIV)技術(shù)研究hiTRAN線圈的阻垢與強(qiáng)化傳熱效果，發(fā)現(xiàn)hiTRAN線圈增強(qiáng)了管內(nèi)流體在管壁附近的

32、剪切力，從而有效防止了生物與化學(xué)污垢的沉積，同時(shí)還具有強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)的效果。 Eiamsa-ard等研究了Re處于2300-8800之間的空氣、水換熱系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)螺旋帶引起的徑向旋流使得管內(nèi)氣相邊界層變薄，最終導(dǎo)致管內(nèi)流體魯塞爾數(shù) (Nu)增大 1.45-1.60倍，同時(shí)，擾流元件也使得管內(nèi)流體流通面積減小，導(dǎo)致壓力降高于光管2-4倍。對(duì)于有中軸支撐和無(wú)中軸支撐的螺旋帶進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，前者較后者強(qiáng)化傳熱速率高10% ，同時(shí)壓降也高。經(jīng)研究與實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)在Re小于4000時(shí)，螺旋帶與扭曲帶引起的壓力降增加沒有明顯區(qū)別，但扭曲帶較螺旋帶易于加工、安裝檢修，且具有更好的機(jī)械強(qiáng)度而得到更廣泛的應(yīng)用。常規(guī)擾

33、流元件中，在壓力降增加允許的范圍內(nèi)，達(dá)到相同的強(qiáng)化傳熱效果時(shí)，彈簧與扭曲帶由于具有加工方便、造價(jià)低、易于安裝檢修等特點(diǎn)，而得到最為廣泛的應(yīng)用。4.2.2其他類型擾流元件及組合擾流元件（1）特殊結(jié)構(gòu)的擾流元件姬長(zhǎng)發(fā)等3設(shè)計(jì)了一種管內(nèi)擾流元件并研究了其強(qiáng)化傳熱效果，發(fā)現(xiàn)相同的泵耗下，擾流元件與波紋管有同樣的強(qiáng)化傳熱效果。楊衛(wèi)民等4研發(fā)的轉(zhuǎn)子潔能芯帶有中軸，可隨流體流動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，具有除垢、強(qiáng)化傳熱的效果，應(yīng)用到發(fā)電機(jī)組冷凝 器改造，能達(dá)到10%的節(jié)水量。Tijing等以水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，對(duì)橫截面為星型帶鰭狀突起的擾流元件進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)傳熱效率提高了12%-51%，但是由于星型擾流元件占據(jù)了大量的管內(nèi)流通

34、空間，致使管內(nèi)流體流通面積下降70%以上，引 起的壓力降增加了286%-399%。Yakut等14,15研究了圓錐環(huán)擾流元件的強(qiáng)化傳熱效果、引起的壓力降增加以及渦流振幅的變化，發(fā)現(xiàn)隨著管內(nèi)圓錐環(huán)的間距減小，圓錐環(huán)引起的渦流衰減程度大幅減弱，傳熱效率隨之增強(qiáng)。（2）扭曲帶的變形在典型扭曲帶的邊沿切出不同的深度，并向扭曲軸方向彎曲形成三角齒形扭曲帶 ，在相同扭距下，較典型扭曲帶強(qiáng)化傳熱效率增強(qiáng)了20%。Murugesan等在典型扭曲帶的邊沿切去部分，使扭曲帶形成不同的V形切口，實(shí)驗(yàn)表明較典型扭曲帶有更好的強(qiáng)化傳熱效果。（3）擾流元件的組合Promuonge等研究了圓錐環(huán)與扭曲帶的組合型擾流元件，與

35、單獨(dú)使用扭曲帶或圓錐環(huán)相比，傳熱效率提高了4%-10%，而引起的壓力降也有明顯增加。扭曲帶與彈簧組合研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)在相同的扭距下，組合使用兩種擾流元件有更好的強(qiáng)化傳熱效果，同時(shí)也會(huì)使壓力降增加明顯。在同一管內(nèi)插入兩根 、三根扭曲帶，使管內(nèi)流體形成同向或反向旋流的研究也有報(bào)道 。在相同的扭矩下，組合型的擾流元件較單獨(dú)使用一種擾流元件時(shí)，都有更好的強(qiáng)化傳熱效果，但由于占據(jù)了更大的管內(nèi)流體流通空間，導(dǎo)致引起的壓力降增加也更大。結(jié)論 隨著計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算傳熱學(xué)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬是對(duì)換熱器進(jìn)行傳熱強(qiáng)化研究的實(shí)用工具，能夠預(yù)測(cè)傳熱過程的影響因素，且方法簡(jiǎn)單、效率高、費(fèi)用低；借助先進(jìn)儀器，如激光測(cè)速、紅外

36、攝像儀等 “可視化技術(shù)”，深入研究換熱器的流場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)分布，徹底弄清強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。開發(fā)新型高效節(jié)能換熱器，如纏繞管式、微尺度等緊湊式換熱器，這將在高新技術(shù)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1 Abu-Khader M M,Further understanding of twisted tape effects as tube insert for heat transfer enhancementJ.Heat and Mass Transfer ,2005,43(2):123-134.2 Ritchie J,Droegemueller P,Simmons M,hiTRAN wire mareix inserts in fouling appli