强化传热

强化传热技术

一、概述

近年来，随着中国经济的快速发展，石油、化工等行业得到了长足的发展，各工业部门都在大力发展大容量、高性能设备，并且随着能源危机的进一步加大，对换热器的性能要求进一步提高，换热器向着尺寸小、重量轻、换热能力大、换热效率高的方向发展，因此强化传热技术成为一个蓬勃发展的研究领域。强化传热技术分为无源强化技术（或被动式强化技术、无功强化技术）和有源强化技术（或主动式强化技术、有功强化技术）。前者是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术；后者是指需要加入额外动力以达到强化传热目的的技术。本文主要介绍了管壳式换热器的无源强化传热技术。

只要存在着温度差，热量就会自发地有高温转向低温，因此热传递是自然界中的基本物理过程之一。因很多冶金的化学反应都需要控制在一定温度下进行，为了维持所要求的温度，物料在进入反应器之前往往需要预热或冷却；在冶金进程中，由于反应本身需吸收或放出热量，又要及时补充或移走热量。如闪速炼钢过程，为了强化熔炼反应，需将富氧气预热至500℃以上；又如硫化锌精矿的流态化焙烧过程，由于反应放出大量的热，炉子外面需设置冷却水套，及时移走多余的热量。此外，还有一些过程虽然没有化学反应发生，但仍需维持在一定的温度下进行，如干燥和结晶，蒸发与热流体的输送等，都直接或间接与传热油关。

热传递过程可以分为导热、对流换热和辐射换热等三种基本方式，它们各自有不同的传热规律，实际中遇到的传热问题都常常是几种传热方式同时起作用。二

从传热学得出换热器的传热量可用下式进行计算，即T

Q∆

=，式中：k

kF

为传热系数，W/（m2*K）；F为传热面积，m2；为冷热液体的平均温差T

∆，K。从式中可以看出，欲增加传热量Q，可以增加k、F或T

∆来实现。下面对此加以讨论。

1：增加冷热液体的平均温差T∆

在换热器中冷热液体的流动方式有四种，即顺流、逆流、交叉流和混合流。在冷热流体进出温度相同时，逆流的平均温差T

∆最小，因此

∆最大，顺流时T

为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的布置。

当然可以用增加冷热流体进出口温度的差别来增加T

∆。比如某一设备采用水冷却时传热量达不到要求，则可采用氟利昂来进行冷却，这时平均温差就会显著增加。但是在一般的工业设备中，冷热流体的种类和温度的选择常常受到生产

工艺过程的限制，不能随意变动；而且这里还存在一个经济的问题，如许多工业部门经常采用饱和水蒸气作家热工质，当压力为15.86*105Pa 时，相应的饱和温度为437K ，若为了增加T ∆，采用更高温度的饱和水蒸气，则其饱和压力也相应的提高，此时饱和温度每增加2.5K ，相应压力就要上升105Pa 。压力增加后换热器设备的壁厚必须增加，从而使设备庞大，笨重，金属消耗量大大增加，虽然可采用矿物油，联苯等作为加热工质，但是选择的余地并不大。

综上所述，用增加平均温差T ∆的方法来增加传热只能适合于个别情况。 2：扩大换热面积F

扩大换热面积是常用的一种增强换热量的有效手段，如采用小管径。管径越小，耐压越高，而且在金属重量相同的情况下，表面积也越大。采用各种形状的肋片管来增加传热面积其效果就更佳了。这里应特别注意的是肋片（扩展表面）要加在换热系数小的一侧，否则会达不到增强传热的效果。

一些新型的紧凑换热器，如板式和板翘式换热器，同管壳式换热器相比，在单位体积内可布置的换热面积多得多。如管壳式换热器在1m 3体积内仅能布置换热面积150m 2左右。而在板式换热器则可达1500m 2，板翘式换热器中耕可达到5000m 2，因此在后两种换热器中期传热量要大得多。这就是它们在冶金中得到广泛运用的原因。当然紧凑式的板式结构对高温、高压工况就不宜应用。

对于高温、高压工况一般都采用简单的扩展表面，如普通肋片管、销钉管、鳍片管，虽然它们扩展的程度不如板式结构高，但效果仍然是显著的。

采用扩展表面后，如果几何参数选择合适还可以同时提高换热器的传热系数，这样增强传热的效果就更好了。值得注意的是，采用扩展面常会使流动阻力增加，金属消耗增加，因此在应用时应进行技术经济比较。

3：提高传热系数

提高传热系数k 是强化传热的最重要的途径，且在换热面积和平均温差给定时，是增加换热量的唯一途径。当管壁较薄时从传热学中我们知道，传热系数k 可以用下式进行计算：

21111

αλδα++=k

式中：1α为热液体和管壁之间的对流换热系数；2α为冷流体和管壁之间的对流换热系数；δ为管壁的厚度；λ为管壁的换热系数。 一般讲金属壁很薄，导热系数很大，λδ可以忽略。因此传热系数k 可以近

似写成：)(2

121αααα+=k 。由此可知欲增加k ，就必须增加1α和2α，但当1α和

2α相差较大时，增加它们之间较小的一个最有效。

要想增加对流换热系数，就需根据对流换热的特点，采用不同的强化方法。我国学者过增元院士在研究对流换热强化时，提出了著名的场协同理论。

流体流动过程的传热方程为：

φλλλνρρ+∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂>=<+∂∂)()()(,z

T z y T y x T x gradT C t T C p p 当流体流过一无限大的平板时，温度不随时间变化且无源项时，方程可以简化为： )(,y

T y gradT C p ∂∂∂∂>=

<λνρ 两边积分：dy )(dy ,00y T y gradT C p ∂∂∂∂=

><⎰⎰++λνρδδ 根据牛顿冷却公式：w

f y t t y T

k -∂∂==0α 于是可以得到：dy ,0><-=⎰+gradT C t t C p w f p

νρραδ

这样就可以通过讨论ν与gradT 之间的夹角确定最佳的α。

其中ρ为流体的密度；p C 为流体的比热容；gradT 为温度梯度；φ为源项 该理论指出要获得高的对流换热系数的主要途径有：

（1）提高流体速度场和温度场的均匀性。

（2）改变速度矢量和热流矢量的夹角，使两夹角的方向尽量一致。

根据上述理论，目前强化传热技术有两类：一类是耗功率强化传热技术，一类是无功强化传热技术。前者需要应用外部能量来达到强化传热的目的，如机械搅拌法、振动法、静电场法等。后者不需要外部能量，如表面特殊处理法、粗糙表面法、强化原件法、添加剂法等。

三、传热过程强化的具体途径

1、对流强化传热

无相变过程强化对流传热技术的研究，可分为管内强化和管外强化两种形式。强化措施大致有：