強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)展

1、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，因此熱傳遞過程是自然界中基本的物理過程之一。它廣泛見諸如動(dòng)力、化工、冶金、航天、空調(diào)、制冷、機(jī)械、輕紡、建筑等部門。大至單機(jī)功率為130萬千瓦的汽輪發(fā)電機(jī)組，小至微電子器件的冷卻都與傳熱過程密切相關(guān)。熱傳遞過程可以分為導(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，如果把鍋爐也看作換熱設(shè)備，則再加上冷凝器，除氧器，高

2、、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，必須用各種辦法來增強(qiáng)換熱器內(nèi)的傳熱。因此最近十幾年來，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)

3、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=kFT （1）式中，k-傳熱系數(shù)W/(m2·K)，F(xiàn)-傳熱面積m2, T-冷熱液體的平均溫差K,從上式可以看出，欲增加傳熱量Q，可用增加k、F或T來實(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

4、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，冷熱流體的種類和溫度的選擇常常受到生產(chǎn)工藝過程的限制，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(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

5、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的辦法來增加傳熱只能適用于個(gè)別情況。 2. 擴(kuò)大換熱面積F擴(kuò)大換熱面積是常用的一種增強(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，如板式和

6、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(dá)1500 m2，板翅式換熱器中更可達(dá)5000 m2，因此在后兩種換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)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)

7、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. 提高傳熱系數(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： （2）式中，1熱液體和管壁之間的對(duì)流換熱系數(shù)，2冷流體和管壁之間的對(duì)流換熱系數(shù)，管壁的厚度，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，/可以忽略。因此傳熱系數(shù)k可以近似寫成：k=12/（1+2）。由此可知欲增加k，就必須增加1和2，但當(dāng)1和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

8、過增元院士在研究對(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：一類是耗功強(qiáng)化傳熱技術(shù)，一類是無功強(qiáng)化傳熱技術(shù)。前者需要應(yīng)用外部能量來達(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

9、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捎玫姆椒ㄒ膊煌?，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)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

10、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)3600的長(zhǎng)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(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)開扭帶錯(cuò)開扭帶是將扭帶剪成扭轉(zhuǎn)180°的短元件，互相錯(cuò)開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

11、的排列順序，互相錯(cuò)開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

12、插入物比高Re數(shù)區(qū)強(qiáng)化傳熱的效果更加顯著，這說明層流時(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，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)

13、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(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)

14、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Nu數(shù)實(shí)際上與雷諾數(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)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NuRe等腰三角形 20°40°60°80°100°120

15、76;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(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

16、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。在由層流向湍流過渡的過渡區(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。流體流過橫槽紋管會(huì)形成漩渦和強(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/h10。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

17、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=3.4×104。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)張收縮管流體沿流動(dòng)方向依次交替流過收縮段和擴(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

18、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)橫向或縱向掠過管束是工程上常見的對(duì)流換熱過程，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

19、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)破壞來強(qiáng)化換熱，叉排短肋形、銷釘形就是如此。下面分別對(duì)常用的異性擴(kuò)展

20、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(jìn)行。由于邊界層開始形成時(shí)較?。ㄈ肟谛?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2倍。c. 銷釘形擴(kuò)展表面銷釘形擴(kuò)展表面與叉排短肋類似，它使用銷釘來代替短肋，其強(qiáng)化換熱的機(jī)理也與短肋類似。d.

21、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(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

22、形管為了強(qiáng)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(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)到幾十萬平方米。此時(shí)橢圓管的尺寸

23、（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(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)用的無功方法外，針對(duì)一些特殊的換熱問題，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)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

24、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750%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

25、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，當(dāng)聲強(qiáng)超過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

26、能起到類似強(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避免流體的誘導(dǎo)振動(dòng)。能否利用上述誘導(dǎo)振動(dòng)來強(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題。它設(shè)計(jì)了一種彈性盤管，該盤管有兩個(gè)自由端及兩個(gè)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(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，其中一股通過一正置三角塊后，在下游

27、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(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40005000W/(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(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)馀荩捎跉馀莸臄_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)

28、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?，F(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)通過抽吸或壓出的方法從葉片或管道的多孔壁流出

29、，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(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)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（

30、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)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)

31、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，形成氣泡所需的過熱度就越低。因此這些特殊處理過的表面能在低過熱度時(shí)形成大量的汽泡，從而大大地強(qiáng)化了泡狀沸騰過程。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

32、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410倍，從而推遲膜態(tài)沸騰的發(fā)生。（2）機(jī)械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210倍。用機(jī)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

33、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，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

34、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