強化傳熱技術(shù)進展

強化傳熱技術(shù)進展華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院黃素逸一概述只要存在著溫度差，熱量就會自發(fā)地由高溫傳向低溫，因此熱傳遞過程是自然界中基本的物理過程之一。它廣泛見諸如動力、化工、冶金、航天、空調(diào)、制冷、機械、輕紡、建筑等部門。大至單機功率為130萬千瓦的汽輪發(fā)電機組，小至微電子器件的冷卻都與傳熱過程密切相關(guān)。熱傳遞過程可以分為導(dǎo)熱、對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，實際中碰到的傳熱問題都經(jīng)常是幾種傳熱方式同時起作用。實現(xiàn)熱量由冷流體傳給熱流體的設(shè)備就稱之為換熱器。它是上述工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用設(shè)備，以電廠為例，假如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電廠投資的70%。在煉油公司中四分之一的設(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機組重量的30%~40%。由于換熱器在工業(yè)部門中的重要性，因此從節(jié)能的角度出發(fā)，為了進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，并使換熱器可以在較低溫差下工作，必須用各種辦法來增強換熱器內(nèi)的傳熱。因此最近十幾年來，強化傳熱技術(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)濟效果。如美國通用油品公司將該公司電廠汽輪機冷凝器中采用的普通銅管用單頭螺旋槽管代替，由于螺旋槽管強化傳熱的效果，使冷凝器的管子長度減少了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)的流動阻力可以減少50%。這種空冷器已在我國石化行業(yè)和火電廠得到廣泛應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟效益。二強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算，即Q=kFΔT（1）式中，k-傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]，F(xiàn)-傳熱面積[m2],ΔT-冷熱液體的平均溫差[K],從上式可以看出，欲增長傳熱量Q，可用增長k、F或ΔT來實現(xiàn)。下面我們對此分別加以討論。1.增長冷熱液體的平均溫差ΔT在換熱器中冷熱液體的流動方式有四種，即順流、逆流、交叉流、混合流。在冷熱流體進出口溫度相同時，逆流的平均溫差ΔT最大，順流時ΔT最小，因此為增長傳熱量應(yīng)盡也許采用逆流或接近于逆流的布置。當(dāng)然可以用增長冷熱流體進出口溫度的差別來增長ΔT。比如某一設(shè)備采用水冷卻時傳熱量達不到規(guī)定，則可采用氟里昂來進行冷卻，這時平均溫差ΔT就會顯著增長。但是在一般的工業(yè)設(shè)備中，冷熱流體的種類和溫度的選擇經(jīng)常受到生產(chǎn)工藝過程的限制，不能隨意變動；并且這里還存在一個經(jīng)濟性的問題，如許多工業(yè)部門經(jīng)常采用飽和水蒸氣作加熱工質(zhì)，當(dāng)壓力為15.86×105Pa時，相應(yīng)的飽和溫度為437K，若為了增長ΔT，采用更高溫度的飽和水蒸氣，則其飽和壓力亦相應(yīng)提高，此時飽和溫度每增高2.5K，相應(yīng)壓力就要上升105Pa。壓力增長后換熱器設(shè)備的壁厚必須增長，從而使設(shè)備龐大，笨重，金屬消耗量大大增長，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，用增長平均溫差ΔT的辦法來增長傳熱只能合用于個別情況。2.擴大換熱面積F擴大換熱面積是常用的一種增強換熱量的有效方法，如采用小管徑。管徑越小，耐壓越高，并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增長傳熱面積其效果就更佳了。這里應(yīng)特別注意的是肋片（擴展表面）要加在換熱系數(shù)小的一側(cè)，否則會達不到增強傳熱的效果。一些新型的緊湊式換熱器，如板式和板翅式換熱器，同管殼式換熱器相比，在單位體積內(nèi)可布置的換熱面積多得多。如管殼式換熱器在1m3體積內(nèi)僅能布置換熱面積150m2左右。而在板式換熱器中則可達1500m2，板翅式換熱器中更可達5000m2，因此在后兩種換熱器中其傳熱量要大得多。這就是它們在制冷、石油、化工、航天等部門得以廣泛應(yīng)用的因素。當(dāng)然緊湊式的板式結(jié)構(gòu)對高溫、高壓工況就不宜應(yīng)用。對于高溫、高壓工況一般都采用簡樸的擴展表面，如普通肋片管、銷釘管、鰭片管，雖然它們擴展的限度不如板式結(jié)構(gòu)高，但效果仍然是顯著的。采用擴展表面后，假如幾何參數(shù)選擇合適還可同時提高換熱器的傳熱系數(shù)，這樣增強傳熱的效果就更好了。值得注意的是，采用擴展面常會使流動阻力增長，金屬消耗增長，因此在應(yīng)用時應(yīng)進行技術(shù)經(jīng)濟比較。3.提高傳熱系數(shù)k提高傳熱系數(shù)k是強化傳熱的最重要的的途徑，且在換熱面積和平均溫差給定期，是增長換熱量的唯一途徑。當(dāng)管壁較薄時從傳熱學(xué)中我們知道，傳熱系數(shù)k可用下式計算： （2）式中，α1—熱液體和管壁之間的對流換熱系數(shù)，α2—冷流體和管壁之間的對流換熱系數(shù)，δ—管壁的厚度，λ—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，δ/λ可以忽略。因此傳熱系數(shù)k可以近似寫成：k=α1α2/（α1+α2）。由此可知欲增長k，就必須增長α1和α2，但當(dāng)α1和α2相差較大時，增長它們之中較小的一個最有效。要想增長對流換熱系數(shù)，就需根據(jù)對流換熱的特點，采用不同的強化方法。我國學(xué)者過增元院士在研究對流換熱強化時，提出了著名的場協(xié)同理論。該理論指出要獲得高的對流換熱系數(shù)的重要途徑有：1）提高流體速度場和溫度場的均勻性；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，目前強化傳熱技術(shù)有兩類：一類是耗功強化傳熱技術(shù)，一類是無功強化傳熱技術(shù)。前者需要應(yīng)用外部能量來達成強化傳熱的目的，如機械攪拌法、振動法、靜電場法等。后者不需外部能量，如表面特殊解決法、粗糙表面法、強化元件法、添加劑法等。由于強化傳熱的方法很多，因此在應(yīng)用強化傳熱技術(shù)時，我們應(yīng)遵循以下原則：1）一方面應(yīng)根據(jù)工程上的規(guī)定，擬定強化傳熱的目的，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，以減少換熱器的動力消耗等。由于目的不同，采用的方法也不同，與此同時擬定技術(shù)上的具體規(guī)定。2）根據(jù)各種強化方法的特點和上述規(guī)定，擬定應(yīng)采用哪一類的強化手段。3）對擬采用的強化方法從制造工藝，安全運營，維修方便和技術(shù)經(jīng)濟性等方面進行具體比較和計算，最后選定強化的具體技術(shù)措施。只有按上述環(huán)節(jié)才干使強化傳熱達成最佳的經(jīng)濟效益。三單向介質(zhì)管內(nèi)對流換熱的強化1流體旋轉(zhuǎn)法強化單向介質(zhì)管內(nèi)對流換熱的有效方法之一是使流體在管內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，這時靠壁面的流體速度增長，加強了邊界層內(nèi)流體的攪動。同時由于流體旋轉(zhuǎn)，使整個流動結(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)最簡樸的方法是管內(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.扭帶扭帶是一種最簡樸而又使流體旋轉(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)限度由每扭轉(zhuǎn)3600的長度H（稱為全節(jié)距）與管子內(nèi)徑d之比來表征。H/d稱之為扭率。扭率不同強化傳熱的效果也不同，實驗表白，扭率為5左右效果最佳。b.錯開扭帶錯開扭帶是將扭帶剪成扭轉(zhuǎn)180°的短元件，互相錯開90°再點焊而成。c.靜態(tài)混合器由一系列左、右扭轉(zhuǎn)180°的短元件，按照一個左旋、一個右旋的排列順序，互相錯開900再點焊而成。d.螺旋片由寬度一定的薄金屬片在預(yù)先車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圓錐形收縮環(huán)和一個圓錐形擴張環(huán)的元件，在環(huán)上開許多小孔，然后將這些元件按一定間距點焊在一根金屬絲上，插入管內(nèi)就成為一個徑向混合器。f.金屬螺旋線圈用細金屬絲繞制成三葉或四葉的螺旋線圈，插入管內(nèi)，即可使流體旋轉(zhuǎn)。除上述常用的插入物外，尚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渡的臨界雷諾數(shù)Re減少，強化了管內(nèi)換熱。當(dāng)然由于流體的旋轉(zhuǎn)，流動阻力也會相應(yīng)增長。實驗研究證明，在低Re數(shù)區(qū)采用插入物比高Re數(shù)區(qū)強化傳熱的效果更加顯著，這說明層流時采用插入物是很有效的。等功率和等流量的實驗研究表白，各種插入物的強化效果在層流區(qū)都隨Re的增長而增長。在相稱于光管由層流向湍流過渡的臨界Re時達成最大值，然后又隨Re的增長而減小。在Re=500~10000的范圍內(nèi)，在相同的流量下，靜態(tài)混合器可獲得較強的傳熱效果。因此當(dāng)系統(tǒng)壓降有裕量的情況下，為強化傳熱可優(yōu)先采用靜態(tài)混合器。在規(guī)定消耗功率一定的情況下，則可選用螺旋片和扭帶，此時螺旋片尚有節(jié)約材料的優(yōu)點。許多研究者提供了管內(nèi)加插入物后計算流動阻力和傳熱的公式，這些公式大多是以實驗研究為基礎(chǔ)的。在選用這些公式時應(yīng)注意這些公式的應(yīng)用條件和范圍。同時值得注意的是，采用管內(nèi)插入物后傳熱增長了，但流動阻力也隨之增長，因此通常在計算強化傳熱的同時，還應(yīng)進行流動阻力的核算和經(jīng)濟性的比較，才干獲得滿意的結(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)不夠牢固，制造安裝工作量大，一般宜在增強現(xiàn)有換熱設(shè)備的傳熱能力上采用。對新設(shè)計制造的換熱設(shè)備，可以采用螺旋槽管或螺旋內(nèi)肋管來使流體旋轉(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，從而使傳熱增強。研究表白，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，強化傳熱的效果差別不大，但流動阻力卻減小很多，因此事實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，有助于增強傳熱或減少壁溫。雖然其加工比較復(fù)雜，但仍是一種抱負的強化傳熱管。2.改變流道截面形狀1）層流工況和過渡工況流動截面形狀對換熱和阻力有很大的影響，特別是對層流工況而言。實驗證明，當(dāng)管道長度較長及雷諾數(shù)Re較小時，換熱的Nu數(shù)事實上與雷諾數(shù)Re數(shù)無關(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)ξ的值。表1層流時不同截面形狀的Nu數(shù)管道截面形狀熱流恒定期的Nu壁溫恒定期的NuξRe等腰三角形20°40°60°80°100°120°2.72.953.02.952.82.72.72.72.72.72.72.751.55353.352.75251圓形4.363.6664矩形a/b=1a/b=0.7a/b=0.5a/b=0.3a/b=0.1a/b=03.633.84.14.96.88.242.893.03.34.36.17.5456.85862708596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。計算表白在傳遞相同的熱量時，三角形流道將比矩形流道的換熱器長18%，而流動阻力矩形流道比三角形流道要低30%。對一般圓管和矩形截面而言，在管道中溫度條件相同時，采用矩形管道也能增長換熱系數(shù)，但與此同時流動阻力會急劇增長。在由層流向湍流過渡的過渡區(qū)中管道截面形狀對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。流體流過橫槽紋管會形成漩渦和強烈的擾動，從而強化了傳熱。強化的效果取決于節(jié)距p和橫槽紋的突出高度h之比。實際應(yīng)用中p/h10。與前述的螺旋槽管相比，由于橫槽紋管的漩渦重要在管壁處形成，對流體主流的影響較小，所以其流動阻力比相同節(jié)距與槽深的螺旋管小。譚盈科等對p/d=0.5，h/d=0.03的橫槽紋管的測定表白，當(dāng)工質(zhì)為空氣時，Re=3.4×104。橫槽紋管可比普通光管的換熱系數(shù)提高1.7倍，阻力增長2.2倍；如工質(zhì)為水，Re=4000，換熱系數(shù)可提高1.4倍，阻力增長1.7倍。當(dāng)流體縱向沖刷環(huán)形槽道時，為了強化傳熱可在管內(nèi)采用橫槽紋管，這樣內(nèi)外流體都能得到強化。b.擴張—收縮管流體沿流動方向依次交替流過收縮段和擴張段。流體在擴張段中產(chǎn)生強烈的漩渦被流體帶入收縮段時得到了有效的運用，且收縮段內(nèi)流速增高會使流體層流底層變薄，這些都有助于增強傳熱。一般擴縮管中擴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，從而有助于傳熱，而流動阻力卻增長不多。擴縮管是一種很有前程的強化傳熱管，特別是對污染的流體，擴縮管不易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。對于非圓形槽道亦可運用擴縮管的原理使流道擴縮，如在兩塊平板間加入兩塊帶鋸齒表面的板，就可構(gòu)成擴縮槽道。四單向介質(zhì)管束外對流換熱的強化單向介質(zhì)橫向或縱向掠過管束是工程上常見的對流換熱過程，其最實用的強化方法是擴展換熱面和采用各種異形管。1.擴展換熱面當(dāng)換熱面一側(cè)為氣體，另一側(cè)為液體時，由于氣體側(cè)的換熱系數(shù)比液體側(cè)小得多（一般小10~50倍）。這時應(yīng)用擴展換熱面的方法來提高傳熱系數(shù)是最有效的辦法。為了使換熱器更加緊湊和進一步提高氣側(cè)的換熱，現(xiàn)在各種異性擴展換熱面得以迅速發(fā)展，它們可使氣側(cè)的換熱系數(shù)較普通擴展面再提高0.5~1.5倍。（1）平行板肋換熱器中各種異性擴展換熱面平行板肋換熱器中的異性擴展換熱面發(fā)展最快，應(yīng)用也最廣。他們是各種普通擴展面（如矩形、三角形）的變形，其種類繁多，形狀各異。最常用的有波形、叉排短肋形、銷釘形、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300~500片。由于通常當(dāng)量直徑小，氣體密度小，因此它們經(jīng)常處在低Re數(shù)的范圍，即Re=500~1500，亦即處在層流狀態(tài)。它們的特點，或者是運用流道的特殊截面形狀來強化傳熱，如波形通道中產(chǎn)生的二次流；或者是使通道中流動的邊界層反復(fù)形成又反復(fù)破壞來強化換熱，叉排短肋形、銷釘形就是如此。下面分別對常用的異性擴展面加以討論。a.波形擴展換熱面波形擴展換熱面能使氣體流過波形表面的凹面時形成漩渦，導(dǎo)致反方向的旋轉(zhuǎn)；而在凸面處又會形成局部的流體脫離，這兩種因素會使換熱得到強化。b.叉排短肋形擴展面這種叉排短肋形擴展面是將通常的矩形長直肋變成短肋，并錯開排列，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，這一過程反復(fù)進行。由于邊界層開始形成時較?。ㄈ肟谛?yīng)），熱阻較小，因此換熱得到充足的強化。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)阻力也要增長，一般約增大2倍。c.銷釘形擴展表面銷釘形擴展表面與叉排短肋類似，它使用銷釘來代替短肋，其強化換熱的機理也與短肋類似。d.多孔形擴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，由于孔的擾動可以破壞板上的流動邊界層，從而強化傳熱。e.百葉窗形擴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，從而增強傳熱的效果。（2）圓管上的各種異形擴展換熱面圓管上的異形擴展換熱面通常是在普通圓肋的基礎(chǔ)上形成的，如開槽肋片，開三角孔并彎邊的肋片，扇形肋片，繞圈形肋片等，它們的目的都是為了破壞流動邊界層從而強化傳熱。肋片的形狀對換熱有很大的影響。我們研究過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)矩形翅片效果最佳，可使換熱系數(shù)較前者提高7%。2.采用異形管為了強化管束傳熱，在工程應(yīng)用上已越來越廣泛地采用異形管來代替圓管。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，由于橢圓管的流動性好，流動阻力小，且在相同的管橫截面積下，橢圓管的傳熱周邊比圓管長；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，阻力可減少59%，傳熱系數(shù)可增長67%，單位體積的傳熱量可提高80%，性能明顯改善。目前國內(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。在國外直接空冷電廠中換熱面積經(jīng)常達成幾十萬平方米。此時橢圓管的尺寸（長、短軸之比）和翅片的形狀、間距以及翅片與管子接觸的緊密限度對換熱性能有很重要的影響。隨著技術(shù)的發(fā)展，螺旋扁管、螺旋橢圓扁盤及交叉縮放橢圓管等也獲得越來越多的應(yīng)用。五單相介質(zhì)對流換熱的耗功強化技術(shù)強化單相介質(zhì)對流換熱，除上面介紹的普遍應(yīng)用的無功方法外，針對一些特殊的換熱問題，也可采用耗功的強化方法。1.機械攪拌法此法重要應(yīng)用于強化容器中的對流換熱。容器中的單相介質(zhì)對流換熱重要是自然對流，這時換熱系數(shù)低，溫度分布很不均勻，采用機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，通常采用小尺寸的機械攪拌器。攪拌器的直徑d一般為容器直徑D的1/4~1/2，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，則應(yīng)用比容器直徑略小的低速螺旋式或錨式攪拌器。在進行攪拌器計算時應(yīng)區(qū)分容器中的介質(zhì)是牛頓流體還是非牛頓流體，它們的計算方法是不同的。2.振動法有兩種振動法，一種是使換熱面振動，一種是使流體脈動或振動，這兩種方法均可強化傳熱。（1）換熱面的振動對于自然對流，實驗證明，對靜止流體中的水平加熱圓柱體振動，當(dāng)振動強度達成臨界值時，可以強化自然對流換熱系數(shù)。實驗還證明圓柱體垂直振動比水平振動效果好。在小振幅和高頻率時，振動可使換熱系數(shù)增長7~50%對于強制對流，許多研究者證明，根據(jù)振動強度和振動系統(tǒng)的不同，換熱系數(shù)比不振時可增大20%~400%。值得注意的是，強制對流時換熱面的振動有時會導(dǎo)致局部地區(qū)的壓力減少到液體的飽和壓力，從而有產(chǎn)生汽蝕的危險。（2）流體的振動運用換熱面振動來強化傳熱，在工程實際應(yīng)用上有許多困難，如換熱面有一定質(zhì)量，實現(xiàn)振動很難；且振動還容易損壞設(shè)備，因此另一種方法是使流體振動。對于自然對流，許多人研究了振動的聲場對換熱的影響，一般根據(jù)具體條件的不同，當(dāng)聲強超過140分貝使可使換熱系數(shù)增長1~3倍。值得注意的是，采用聲振動也有不少困難。實際應(yīng)用中如有也許一方面應(yīng)用強制對流來代替自然對流，或用機械攪拌，這樣才干更有效果。對于強制對流，由于強制對流換熱系數(shù)已經(jīng)很高，采用聲振動時其效果并不十分顯著。除了聲振動外，其它的低頻脈動（如泵發(fā)生的脈動）也能起到類似強化傳熱的作用。眾所周知，當(dāng)流體橫掠單管或管束時，由于漩渦脫落，湍流抖振，流體彈性激振及聲共鳴等諸多因素，會引起管子產(chǎn)生振動。這種振動通常稱之為流體誘導(dǎo)振動，它經(jīng)常是導(dǎo)致?lián)Q熱器管子磨損、泄漏、斷裂的重要因素。因此在換熱器設(shè)計時，人們都盡量采用各種措施來避免流體的誘導(dǎo)振動。能否運用上述誘導(dǎo)振動來強化傳熱呢？我國學(xué)者程林創(chuàng)新地提出并解決了這一問題。它設(shè)計了一種彈性盤管，該盤管有兩個自由端及兩個固定端，通過彈性盤管的曲率半徑、管徑、管壁厚及端部附加質(zhì)量等參數(shù)的組合來得到一種最有利的固定頻率，同時，程林還設(shè)計了一種脈動流發(fā)生器，它將進入換熱器的水流提成兩股，其中一股通過一正置三角塊后，在下游方向就會產(chǎn)生不同強度的脈動流，該脈動流直接作用在彈性盤管的附加質(zhì)量端，從而誘發(fā)彈性盤管發(fā)生周期性的振動。這種流體振動，換熱面也振動的強化傳熱新方法，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)計的彈性盤管汽水加熱器，在流速很低的情況下，可使傳熱系數(shù)達成4000~5000W/(m2·℃)，是普通管殼式換熱器的二倍?，F(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化傳熱是此法的特點。有的研究者提出在上升的水流中注入氮氣泡，由于氣泡的擾動作用可使換熱系數(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%。在實際應(yīng)用中，在氣體中噴入液體或固體顆粒是一種有前程的強化換熱的方法。如在汽車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)時對邊界層的擾動都可以增長傳熱。我們研究了豎夾層空間的自然對流，此時假如在豎夾層空間加入很少量的水，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。此時冷卻介質(zhì)通過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，從而對金屬起到了保護作用。此法在燃汽輪機葉片的冷卻中已得到了廣泛的應(yīng)用。除了上述方法外尚有使用換熱面在靜止流體中旋轉(zhuǎn)的方法，運用靜電場強化換熱的方法，但它們的應(yīng)用還十分有限。在工程應(yīng)用上，應(yīng)盡也許地根據(jù)實際情況，同時采用多種強化傳熱的方法，以求獲得更好的效果。六沸騰換熱的強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。沸騰換熱的特點是換熱系數(shù)很高，在以往的應(yīng)用中人們認為已不必進行強化了，而把重要的注意力集中在單相介質(zhì)對流換熱的強化上。但隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是高熱負荷的出現(xiàn)，相變傳熱（沸騰和凝結(jié)）的強化日益受到重視并在工業(yè)上得到越來越多的應(yīng)用。沸騰換熱的強化重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表面進行特殊解決，擴展表面，在沸騰液體中加添加劑等。下面介紹常用的強化沸騰換熱的方法。1.使表面粗糙和對表面進行特殊解決粗糙表面可使汽化核心數(shù)目大大增長，因此和光滑表面相比其沸騰換熱強度可以提高許多倍。最簡樸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。在使壁面粗糙度增長以強化沸騰換熱時，應(yīng)注意存在一極限的粗糙度，超過此之后，換熱系數(shù)就不再隨粗糙度的增長而增長。此外增長粗糙度并不能提高沸騰的臨界熱負荷。工程上為增強沸騰換熱應(yīng)用最多的還是對表面進行特殊解決。特殊解決的目的是使表面形成許多抱負的內(nèi)凹穴，這些抱負的內(nèi)凹穴在低過熱度時就會形成穩(wěn)定的汽化核心；且內(nèi)凹穴的頸口半徑越大，形成氣泡所需的過熱度就越低。因此這些特殊解決過的表面能在低過熱度時形成大量的汽泡，從而大大地強化了泡狀沸騰過程。實驗證明，表面多孔管的沸騰換熱系數(shù)可提高2~10倍。此外臨界熱負荷也相應(yīng)得到提高。在相同熱負荷下特殊解決過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；另一種是對換熱面進行機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)六十年代末在美國一方面出現(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)法的效果最佳。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）機械加工的表面多孔管用機械加工方法可使換熱表面形成整齊的T型凹溝槽。這種機械加工的表面多孔管亦能大大強化沸騰換熱過程和提高臨界熱負荷值。對形狀和尺寸不同的凹溝槽，沸騰換熱系數(shù)可提高2~10倍。用機械加工的方法還可克服燒結(jié)法帶來的表面孔層不均的缺陷，且多孔層也不易阻塞。2.采用擴展表面用肋管代替光管可以增長沸騰換熱系數(shù)。這一方面是肋管與光管相比除具有較大的換熱面積外，還可以增長汽化核心；此外肋片和管子連接處受到液體潤濕作用較差，是良好的吸附氣體的場合；加之肋片與肋片之間的空間里的液體三面受熱，易于過熱。以上這些因素都促進了氣泡的生長，一般換熱系數(shù)可高10%左右。對于管內(nèi)強制沸騰換熱，通常還采用內(nèi)肋管或內(nèi)外肋管。這些內(nèi)肋片不僅強化了沸騰換熱過程，還強化了管內(nèi)單相介質(zhì)的對流換熱。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亦可強化沸騰換熱。例如在水中加入合適的添加劑（如各類聚合物），有時可使沸騰換熱系數(shù)提高40%。值得注意的是，如液體和添加劑配合不妥，反而會使換熱系數(shù)減少。在液體中加入固體顆粒，當(dāng)顆粒層的高度恰當(dāng)時亦可強化沸騰換熱，有時沸騰換熱系數(shù)甚至可以比無顆粒層時高2~3倍。4.其它強化沸騰換熱的方法前面介紹的強化單相介質(zhì)對流換熱的流體旋轉(zhuǎn)法對于強化管內(nèi)沸騰亦非常有效，這時可以在管內(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。它們不僅能使換熱系數(shù)提高（如扭帶可提高10~15%，螺旋槽管可提高50%~200%），還可提高臨界熱負荷。七凝結(jié)換熱的強化凝結(jié)是工業(yè)中普遍碰到的另一種相變換熱過程，一般認為凝結(jié)換熱系數(shù)很高，可以不必采用強化措施。但對氟里昂蒸汽或有機蒸汽而言，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1/4~1/3。在這種情況下強化凝結(jié)換熱仍然是非常必要的。對空冷系統(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)換熱的強化（1）冷卻表面的特殊解決對冷卻表面的特殊解決，重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5~10倍，由于水和有機液體能潤濕大部分的金屬壁面，所以應(yīng)采用特殊的表面解決方法（化學(xué)覆蓋法、聚