强化换热
(完整)管壳式换热器强化传热技术概述
管壳式换热器强化传热技术概述马越中国矿业大学化工学院,江苏徐州，221116摘要:总结了近年来国内外新型管壳式换热器的研究进展，从管程、壳程、管束三方面介绍了管壳式换热器的发展历程、结构改进及强化传热机理,并与普通弓形折流板换热器进行对比，概括了各式换热器的强化传热特点。
最后指出了换热器的研究方向。
关键词:管壳式换热器；强化传热;研究方向Overview of the Shell and Tube Heat Exchangers about Heat TransferEnhancement TechnologyMA YueCUMT,Xuzhou，jiangsu，221116Abstract:Abstract : The research progress of shell and tube heat exchanger were summarized. The development structural improvement and heat transfer enhancement of the heat exchangers were introduced through three aspects e. g. tube pass shell pass and the whole tub bundle etc. Compared with the traditional segmental bame heat exchanger various types of heat exchangers'characteristics about heat transfer enhancement were epitomized。
At last，the studying directions of heat exchangers were pointed out.Key words：shell and tube heat exchanger;heat transfer enhancement；studying direction1引言《“十二五”节能减排综合性工作方案》明确提出,到2015年,全国万元国内生产总值能耗下降到0。
换热器的强化传热
换热器的强化传热所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。
换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积（F）；加大传热温差；提高传热系数（K）。
1 换热器强化传热的方式1.1 扩展传热面积F扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。
在扩展换热器传热面积的过程中，如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热量，不光需要增加设备投资，设备占地面积大、同时，对传热效果的增强作用也不明显，这种方法现在已经淘汰。
现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备高效、紧凑的目的。
1.2 加大传热温差Δt加大换热器传热温差Δt是加强换热器换热效果常用的措施之一。
在换热器使用过程中，提高辐射采暖板管内蒸汽的压力，提高热水采暖的热水温度，冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水，空气冷却器中降低冷却水的温度等，都可以直接增加换热器传热温差Δt。
但是，增加换热器传热温差Δt是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段，使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。
例如，我们在提高辐射采暖板的蒸汽温度过程中，不能超过辐射采暖允许的辐射强度，辐射采暖板蒸汽温度的增加实际上是一种受限制的增加，依靠增加换热器传热温差Δt只能有限度的提高换热器换热效果；同时，我们应该认识到，传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。
所以，不能一味追求传热温差的增加，而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。
1.3 增强传热系数（K）增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。
自然对流强化换热
自然对流强化换热班级：14040203姓名：吴端学号：20110404021211.概述当前，对于自然对流换热问题的研究没有强迫对流研究那样开展得广泛。
一方面是由于自然对流强化效果没有强迫对流换热强化效果好；另一方面是由于自然对流强化的途径少难度大，所以自然对流的研究进展缓慢。
但自然对流应用有自己的领域，强迫对流又有其制约因素，尤其是随着电子集成电路的发展，自然对流强化换热的问题越来越受到学者的关注。
利用振动强化单相流体对流换热的方法可分为两种：一种是使换热面振动以强化换热；另一种是使流体脉动或振动以强化换热。
研究表明，不管是换热面振动还是流体振动，对单相流体的自然对流和强制对流换热都是有强化作用的。
振动可以增大流体间的扰动，干扰附面层的形成和发展，从而减小换热热阻，达到强化换热的目的。
2.原理利用振动可以强化传热早已为人们所认识，在1923年就有关于在静止流体中振动换热面以增强传热效果的相关研究。
早期研究的主要手段为传热实验，随着数值计算方法及计算机技术的发展，自80年代人们开始对振动对流换热问题进行数值分析。
研究结果表明，换热面在流体中振动时，根据振动系统的不同，自然对流换热系数可提高30%~2000%。
传热实验中，采用的振动源形式主要有以下几种：1)机械振动或电动机驱动偏心装置产生，早期的实验均采用该方法；2)流体绕流诱导传热元件产生，如在换热器中的管束：3)超声波激励换热元件产生。
下面分别就这三个方面分别展开综述，其中，A表示振幅，厂表示振动频率，D表示管直径，U表示来流速度，尺P表示雷诺数，h表示表面传热系数。
机械振动为传热实验中最为常用的振动源，一般情况下，机械振动装置结构简单，并且能够比较方便调节振幅、频率等参数，这对于深入研究振动参数对传热的影响具有不可替代的作用。
表1．2、1．3分别为自然对流、强制对流条件下振动传热研究概况，表中可以看出，振动传热的效果随着实验介质流动状态变化而存在显著差别。
强化传热技术
强化传热技术研究进展1概述由于生产和科学技术发展的需要，强化传热技术从上世纪80年代以来获得了广泛的重视和发展。
首先，随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。
世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。
设计和制造各类高性能换热设备是经济地开发和利用能源的最重要手段，这对于动力、冶金、石油、化工、制冷及食品等工业部门有着极为重要的意义。
其次，随着航空、航天及核聚变等高顶尖技术的发展，各种设备的运行时的温度也不断升高为了保证各设备有足够长的工作寿命及在高温下安全运行，必须可靠经济的解决高温设备的冷却问题。
最后，随着计算机的迅速发展，密集布置的大功率电子元件在电子设备中的释能密度日益增加。
电子元件的有效冷却，是电子设备性能和工作寿命的必要保证。
正是基于以上原因促使人们对强化换热进行了极为广泛的研究和探讨，力图从理论上解释各种强化传热技术的机理，从大量的实验资料中总结其规律性，以便在工业上加以推广应用，并发现新的更为经济实用的强化传热技术，因此近40年来在世界各国强化传热技术如雨后春笋般不断涌现出来。
20世纪80年代以来，我国经济发展迅速而能源生产的发展相对要滞后得多。
面对改革开放带来的经济高速发展态势，能源供应难以满足迅速增长的需求，节能成为关系到能否可持续发展的重大问题，近年来我国也在节能领域取得了显著的成绩。
1980年到2000年中国经济年平均增长9.7% 而能源消耗的年增长仅为4.6% 节能降耗年平均达5%。
“九五”期间我国每万元国内生产总值GDP能耗1990年价由1995年的3.97吨标准煤下降到2000年的2.77 吨标准煤累计节约和少用能源达4.1亿吨标准煤；主要耗能产品单位能耗均有不同程度下降。
按“九五”期间直接节能量计算节约的能源价值约660亿元；节约和少用能源相当于减排二氧化硫820万吨二氧化碳计1.8亿吨。
当前中国在能源利用效率、能耗等方面与世界先进国家相比还存在较大差距，能源节约还有很大的潜力。
简述强化传热的方法
简述强化传热的方法
强化传热是指通过一系列的方法和技术，提高传热效率，使热量能够更快速地传递到目标物体上。
在工业生产和科学研究中，强化传热技术被广泛应用，可以提高生产效率，降低能源消耗，提高产品质量等。
下面我们来简述几种常见的强化传热方法：
1. 换热器：换热器是一种常见的强化传热设备，它通过将热量从一个流体传递到另一个流体，实现热量的转移。
换热器的传热效率高，可以在不同的工业领域中广泛应用。
2. 换热管：换热管是一种常见的强化传热设备，它通过将热量从一个流体传递到另一个流体，实现热量的转移。
换热管的传热效率高，可以在不同的工业领域中广泛应用。
3. 换热介质：换热介质是一种常见的强化传热方法，它通过将热量从一个介质传递到另一个介质，实现热量的转移。
换热介质的传热效率高，可以在不同的工业领域中广泛应用。
4. 换热表面：换热表面是一种常见的强化传热方法，它通过增加换热表面积，提高传热效率。
换热表面的传热效率高，可以在不同的工业领域中广泛应用。
5. 换热流体：换热流体是一种常见的强化传热方法，它通过改变流
体的流动状态，提高传热效率。
换热流体的传热效率高，可以在不同的工业领域中广泛应用。
强化传热是一种非常重要的技术，可以提高生产效率，降低能源消耗，提高产品质量等。
在未来的发展中，我们需要不断探索新的强化传热方法，为工业生产和科学研究提供更好的支持。
沸腾强化换热原因
沸腾强化换热原因
沸腾强化换热是指在传统换热过程中，由于流体的沸腾现象而引起的加强换热效果。
沸腾强化换热的原因主要包括以下几点：
1.传热面积增加：在沸腾过程中，流体与换热壁面之间会形成大量的气液界面，这些界面的形成增加了传热面积，从而增强了换热效果。
2.温度梯度增大：沸腾过程中，由于液态流体与蒸汽在温度上的差异，使得传热界面上的温度梯度增大。
温度梯度的增大将导致更大的传热驱动力，从而提高换热效率。
3.对流换热增强：在沸腾过程中，由于液相的剪切作用，蒸汽的产生和泡沫的移动导致了流体的对流换热，这种对流换热机制使得热量的传递更加迅速和有效。
4.泡沫脱落热传递：在沸腾过程中，泡沫在壁面上形成并快速脱落，这种泡沫脱落会带走大量的热量，从而促进了换热过程。
5.液体搅动增强：在沸腾过程中，蒸汽的产生和泡沫的移动会引起流体的搅动，这种液体搅动可以破坏边界层，促进流体与换热面之间的传热，从而增强了换热效果。
总的来说，沸腾强化换热的原因是由于沸腾过程中产生的气液界面、温度梯度增大、对流换热、泡沫脱落和液体搅动等因
素共同作用，这些因素使得沸腾强化换热具有高效、高传热能力的特点。
传热学-学习课件-7-6影响沸腾换热的因素及强化
换热得到某种程度的强化。
传热学 Heat Transfer
2 过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热
时，h (tw t f )1 4 ，因此，过冷会强化换热。
3 液位高度 当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系
目前有两种常用的手段： (1)用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与 化学手段
在换热表面上形成多孔结构。 (2)机械加工方法。
传热学 Heat Transfer
传热学 Heat Transfer
Thanks
从0.1～1009.8 m/s2 的范围内，g对核态沸腾换热
规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于
Gr
gtl 3 2
Nu C(Re Gr )n
因此，g Nu 换热加强。
5、管内沸腾
传热学 Heat Transfer
锅炉水冷壁结构。
数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传 热系数会明显地随液位的降低而升高(临界液位)。
传热学 Heat Transfer
图中介质为一个大气压下的水
传热学 Heat Transfer
4 重力加速度 随着航空航天技术的发展，超重力和微重力条件下的
传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地步，就 现有的成果表明：
传热学 He传at热Tr学ansfeHr eat Transfer
传热学 Heat Transfer
主讲老师：王舫 适用专业：能源与动力工程专业
传热学 Heat Transfer
7.6 影响沸腾换热的因素及强化
沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素 也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响 因素也只针对大容器沸腾换热。
强化换热技术
增加平均传热量
• 增加平均传热温差的方法有两种
•1 • 利用不同的换热面布置来改变平均传热 • 温差。
•2 • 以增大平均传热温差
• 受工艺条件限制其应用范围非常有限
扩大传热面积
•1 •2 • 面换热面 • 肋片应加在换热器传热较差一侧这在含有气 • 体介质传热过程大量采用并且取得很好的强化传热效果 •3 • 一般采用扩展表面后不仅增加换热 • 面积也同时提高了传热系数但同时 • 也会带来流动阻力的增加。采用扩展表 • 面有时会受到各种条件的限制。提高Leabharlann 热系数• 看书P259 页
• 原理 •1 •2 • • 线的夹角可以强化传热。
1 2 2
强化有相变的沸腾传热过程 增加换热面上的汽化核心及生成汽泡的频率。例如采用高效多孔换
强化有相变的凝结传热过程 >
传热强化是一种改善传热性能的技术，可以通过改善和提高热传递速率， 以达到用最经济的设备来传递一定热量的目的。狭义的强化传热是指提高 流体和传热面之间的传热系数。
对于换热器的强化传热就是力求换热器在单位时间 单位传热面积传递的热量 能力达到增强的目的。
强化换热设备中的传热过程
1.增加平均传热温差 2.扩大传热面积 3.提高传热系数
传热学10.5 热量传递过程的控制(强化与削弱)
12强化传热的目的：缩小设备尺寸、提高热效率、保证设备安全削弱传热的目的：减少热量损失根据不同的需求，对于实际传热的传热过程，有时需要强化，有时则需要削弱。
显然，根据不同的传热方式，强化和削弱传热的手段应该不同，本节主要针对对流换热过程的强化和削弱1 强化传热的原则和手段(1) 强化换热的原则：哪个环节的热阻大，就对哪个环节采取强化措施。
举例：以圆管内充分发展湍流换热为例，其实验关联式为：4.08.0Pr Re 023.0f f Nu =2.04.08.08.06.04.0023.0d uc h pηρλ=3(2) 强化手段: a 无源技术(被动技术)b 有源技术(主动式技术)a 无源技术(被动技术)：除了输送传热介质的功率消耗外，无需附加动力其主要手段有：①涂层表面；②粗糙表面；③扩展表面；④扰流元件；⑤涡流发生器；⑥螺旋管；⑦添加物； ⑧射流冲击换热b 有源技术(主动式技术)：需要外加的动力其主要手段有：①对换热介质做机械搅拌；②使换热表面振动；③使换热瘤体振动；④将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合；⑤将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走。
45对换热器而言，随着强化措施的完善，污垢热阻有时会成为传热过程的主要热阻，因此，需要给换热器的设计提供哈里的污垢热阻的数据，这就需要实验测定，可是实验测出来的是总表面传热系数，那么如何将总的传热系数分成各个环节的热阻呢？下面的威尔逊图解法提供了一种有效途径2 确定传热过程分热阻的威尔逊图解法利用数据采集系统可以测定壁面和流体的温度，从而获得平均温差，利用热平衡方程式获得热流量，换热面积可以根据设计情况获得，这样就可以通过传热方程式计算出总表面传热系数。
这是威尔逊图解法的基础。
我们已管壳式换热器为例，说明如何应用威尔逊图解法获得各个分热阻。
6ioi f w o o d dh R R h k 111+++=工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于旺盛湍流状态，因此，8.0i i i u c h =总表面传热系数可以表示成：8.01111ud d c R R h k i o i f w o o +++=(保持h o 不变)b (物性不变)m 8.011u m b k o +=mXb Y +=管侧的对流换热系数8.0i i i uc h =ioi d dm c 1=其中：壳侧的对流换热系数fw o R R h b ++=178.011u m b k o +=mX b Y +=f w o R R h b ++=1(保持ho 不变)b (物性不变)m 8.01111ud dc R R h k i o i f w o o +++=ioi d dm c 1=8.0i i i u c h =威尔逊图解法810.5.5 隔热保温技术(1) 需求背景(2) 高于环境温度的热力设备的保温多采用无机的绝热材料(3) 低于环境温度时，有三个档次的绝热材料可供选择， a 一般性的绝热材料；b 抽真空至10Pa的粉末颗粒热 材料；c 多层真空绝热材料。
强化传热考查提纲
8. 简述纳米流体强化换热原理。 答： 纳米流体中的纳米颗粒在流体内无规则运动，从而增凸出物强化管内换热的机理，并说明凸出物的哪些几何参数会影响其强化换热效果。 答： 破换边界层，增大换热表面积。相对节距、相对高度和凸出物形状。
6. 定性分析叉列板肋管束和叉列圆肋片管束（都大于四排，横向冲刷）平均换热效果的差别。 答： 叉列圆肋管束换热效果要好，但是流动阻力也大。 圆肋上形成的层流边界层在叉列管束处被破坏，并在其后形成旋涡，这一过程反复进行，能极大的强化传 热，比板肋增加换热面积的效果好。
11. 分析垂直圆管内对流沸腾换热两相流动的流动结构及换热工况。 答：过冷流动沸腾的特点是：由于壁面边界层的热阻效应，当通道主流区内的液体还处于过冷状态时，边界层 内的温度己略高于当地饱和温度，壁面上开始有液体汽化形成汽泡；脱离壁面后的汽泡在向管道中央运动的过 程中又被过冷的液体重新冷凝，该阶段内的两相流流型一般为弥散泡状流或泡状流。一般认为，过冷沸腾区内 的汽泡处于当地饱和温度，而液体处于过冷状态，即汽液两相处于热力学不平衡状态。而饱和沸腾区则不同， 该阶段内的汽液两相均处于当地饱和温度，即处于热力学平衡状态，该区内形成的汽泡不会再被液体冷凝，因 而空泡份额的增长速度比过冷沸腾阶段快得多，通道内沿流动方向会依次出现泡状流、弹状流、搅拌流及环状 流等多种不同的两相流结构形式。 流动通道内同时存在过冷沸腾及饱和沸腾两种沸腾模式，液体在过冷阶段的沸腾传热特征对换热系统的整体性 能也有着十分显著的影响。
作用，加强了流体的混合脉动和湍流，使介质内横向温度梯度减小，加大了流道表面和介质内的温度梯度，加 强了介质内的能量交换，增强了换热效果。
强化换热及其研究进展
1 前言 ADDIN NE.Bib当今世界，由于工业，经济的巨大发展，世界各国普遍面临着能量短缺问题，开发新能源以及如何高效利用现有能源得到了世界各国的普遍关注。
由于换热设备在工业生产中的广泛应用，提高换热器效率，研究强化换热的新技术成为人们日益关注的传热学新课题。
本文将从强化传热技术的发展过程、强化传热新技术以及强化传热技术的实际应用状况几个方面对近几年来强化传热技术的总体进展进行介绍。
[1]2 正文热量传递方式有导热、对流以及辐射三种，因此，强化传热方法的研究也势必从这三个方面来进行。
由于导热与辐射传热的强化受到的限制条件较多，所以对流换热的强化受到重视。
因此，强化换热方法中研究最多，涉及面最广的是对流换热的强化。
强化传热的研究从50 年代中期开始增多，近几十年来发展迅速，并成为传热学中重要的研究方向与组成部分。
[2]2.1 强化传热的意义在现代科学技术的许多领域,如动力、冶金、石油、化工、材料、制冷以及空间、电子、核能等,均涉及到加热、冷却与热量传递的问题。
换热器是不可缺少的工艺设备,而且在金属消耗与投资方面也占有较大的比例。
目前,能源危机越来越突出,开发新能源及余热回收显得特别重要。
而在这些工作中,通常都要求采用有效的强化传热措施,以提高传热量来减小换热器的体积与重量。
可以说,研究各种传热过程的强化问题,设计新颖的紧凑式换热器,不仅是现代工业发展过程中必须解决的课题,同时也是开发新能源与开展节能工作的紧迫任务。
[3]传热学的目的是研究热传播速率的问题,而强化传热研究的主要任务是改善、提高热传播的速率,以达到用最经济的设备来传递规定的热量,或是用最有效的冷却来保护高温部件的安全运行,或是用最高的热效率来实现能源合理利用的目的。
2.2 强化传热的目的与任务不同场合对于强化传热的具体要求各不相同,但归纳起来应用强化传热技术可达到下列任一目的:(1)减小换热器的传热面积,以减小换热体积与重量;(2)提高现有换热器的换热能力;(3)使换热器能在较低温差下工作;(4)减少换热器的阻力,以减少换热器的动力消耗。
相变储能换热器强化改进方案
相变储能换热器强化改进方案相变储能换热器强化改进方案相变储能换热器是一种高效的换热器设计，它利用相变储能材料的热吸附特性来实现热能的存储和释放。
然而，目前的相变储能换热器存在一些问题，例如热传导效率不高、热损失较大等。
为了进一步提高相变储能换热器的性能，我们可以考虑以下强化改进方案。
第一步，优化相变储能材料的选择。
目前常用的相变储能材料主要有无机盐、有机物质和金属合金等。
通过研究不同材料的热容量、相变温度、热导率等参数，选择适合的相变储能材料。
同时，可以尝试将不同相变储能材料进行复合，以优化其储能性能。
第二步，改进换热器的结构。
传统的相变储能换热器通常是将相变储能材料包裹在管道中，限制了热传导的效率。
可以考虑采用多管道、纳米结构或多层结构等方式，增加热传导路径，提高换热器的换热效率。
此外，还可以设计更合理的流动路径，减小热损失。
第三步，引入增强换热技术。
除了改进相变储能材料和结构，我们还可以引入一些增强换热技术来提高相变储能换热器的性能。
例如，可以在换热器表面涂覆纳米颗粒或纳米涂层，增加热传导面积；或者利用流体动力学原理设计高效的换热器内部结构，提高热传导效率。
第四步，优化控制策略。
相变储能换热器的性能还与其控制策略密切相关。
通过优化控制策略，可以更好地利用相变储能材料的热吸附特性。
例如，可以根据需要调整供热温度和供热时间，使相变储能材料在最佳工作状态下运行，提高能量利用率。
第五步，实验验证和优化。
在进行以上改进措施后，需要进行实验验证和优化。
通过实验，可以评估改进方案的有效性，并对其进行进一步优化。
同时，还可以考虑在实际应用中进行试点推广，验证改进方案的可行性和经济性。
综上所述，相变储能换热器的强化改进方案包括优化相变储能材料的选择、改进换热器的结构、引入增强换热技术、优化控制策略以及实验验证和优化。
通过这些步骤的实施，相变储能换热器的性能将得到显著提升，为节能环保领域的应用提供更多可能。
强化传热技术
强化传热技术1、强化传热的⽬的是什么？（1）减⼩初设计的传热⾯积，以减⼩换热器的体积和重量；（2）提⾼现有换热器的能⼒；（3）使换热器能在较低温差下⼯作；（4）减少换热器的阻⼒，以减少换热器的动⼒消耗。
2、采⽤什么⽅法解决传热技术的选⽤问题？（1）在给定⼯质温度、热负荷以及总流动阻⼒的条件下，先⽤简明⽅法对拟采⽤的强化传热技术从使换热器尺⼨⼤⼩、质轻的⾓度进⾏⽐较。
这⼀⽅法虽不全⾯，但分析表明，按此法进⾏⽐较得出的最佳强化传热技术⼀般在改变固定换热器三个主要性能参数（换热器尺⼨、总阻⼒和热负荷）中的其他两个，再从第三个性能参数最佳⾓度进⾏⽐较时也是最好的。
（2）分析需要强化传热处的⼯质流动结构、热负荷分布特点以及温度场分布⼯况，以定出有效的强化传热技术，使流动阻⼒最⼩⽽传热系数最⼤。
（3）⽐较采⽤强化传热技术后的换热器制造⼯艺、安全运⾏⼯况以及经济性问题。
3、表⾯式换热器的强化传热途径有哪些？（1）增⼤平均传热温差以强化传热；（2）增加换热⾯积以强化传热；（3）提⾼传热系数以强化传热。
4、何为有功和⽆功强化传热技术？包括哪些⽅法？从提⾼传热系数的各种强化传热技术分，则可分为有功强化传热技术和⽆功强化传热技术两类。
前者也称主动强化传热技术、有源强化技术、后者也称为被动强化技术、⽆源强化技术。
有功强化传热技术需要应⽤外部能量来达到强化传热的⽬的；⽆功传热强化技术则⽆需应⽤外部能量即能达到强化传热的⽬的。
有功强化传热技术包括机械强化法、震动强化、静电场法和抽压法等；⽆功强化传热技术包括表⾯特殊处理法、粗糙表⾯法、扩展表⾯法、装设强化元件法、加⼊扰动流体法等。
5、单项流体管内强制对流换热时，层流和紊流的强化有何不同？当流体做层流运动时，流体沿相互平⾏的流线分层流动，各层流体间互不掺混，垂直于流动⽅向上的热量传递只能依靠流体内部的导热进⾏，因⽽换热强度较低。
因此，对于强化层流流动的换热，应以改变流体的流动状态为主要⼿段。
基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用共3篇
基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用共3篇基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用1基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用换热过程在工业、交通、家庭等领域具有广泛的应用。
涡强化换热技术在换热领域中引起了广泛的关注，其原理是利用涡控制技术有效地增强流动中的混合传质过程，提高换热效率。
涡强化换热技术是一种新型的高效换热技术。
本文将介绍基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用。
一、基于场协同理论的纵向涡强化换热技术涡强化换热技术是利用纵向涡的控制能力和传热的协同作用，实现热传递和流动混合效率的增强。
涡强化换热技术主要有墙面涡强化、方腔式涡强化、以及点源涡强化等形式。
1、墙面涡强化墙面涡强化是一种基于壁面涡动控制的换热技术。
通过在热交换器管壁周围形成周期性的锯齿形纹理来产生壁面涡，使原本分离的边界层流动产生交错运动，从而实现混合传热，提高传热效率。
2、方腔式涡强化方腔式涡强化是一种运用方腔的结构特征来实现涡强化换热的技术。
当方腔中的流体从一侧进入，通过涡聚和混合效应，将流体输送至另一侧，并带着热量导入另一侧的流体中，实现高效换热。
3、点源涡强化点源涡强化是一种运用点源涡的结构特征来实现涡强化换热的技术。
点源涡是指由流体在非恒定流场中产生的局部涡旋，点源涡强化换热技术通过控制流场中的点源涡，将热量集中转移，实现高效换热。
二、基于场协同理论的纵向涡强化换热技术的应用涡强化换热技术的应用包括两个方面：一是在传统换热设备中的改造和优化；二是在新型的换热装置中的应用。
1、传统换热设备的涡强化改装基于场协同理论的纵向涡强化换热技术可以通过对换热器表面进行纹理设计或增设定向壁体等形式，实现传统换热设备的涡强化改装，提高传热效率。
2、新型换热装置的开发应用基于场协同理论的纵向涡强化换热技术还可以应用于新型的换热装置中，如涡管换热器。
涡管换热器结构简单，热量传递效率高，且具有耐腐蚀、易清洗等优点，因此被广泛地应用于化工、建材、食品等领域。
33传热强化与削弱_制冷与低温技术原理
制冷与低温技术原理传热强化与削弱强化换热的原则保持相同换热量与压降，如何减小换热面积（降低成本）保持相同换热量与换热面积，如何减小有效传热温差（减小不可逆损失）保持相同换热面积，如何增大换热量（提高系统效率）保持相同换热量和换热面积，如何降低压降（降低能耗）对于两相换热器要注意：两相制冷剂压降会改变饱和温度，所以会改变传热温差和冷凝或蒸发温度，尤其对于蒸发器的影响更为显著！强化对流换热的技术被动（无源）技术表面处理、粗糙表面、扩展表面、扰流元件、旋流发生器、表面张力器件、添加物主动（有源）技术机械搅动、表面振动、流体振动、电磁场、喷注或抽吸、射流冲击管外凝结换热的强化措施基本原则是减薄冷凝液膜厚度，并使凝结液尽快排掉带有尖峰的表面的局部液膜减薄，不均匀的膜厚度将使热流密度大幅度提高管外沸腾换热的强化措施关键在于增加气化核心加热面的微小凹坑是最有利于成为气化核心的地点管内凝结与沸腾换热的强化措施通常采用内微肋管对于流动凝结，微肋的作用是在表面张力的作用下，使凝结液膜减薄并增大换热面积对于流动沸腾，微肋的作用在于提供汽化核心、增加表面张力的作用并增大传热面积空气侧换热的强化措施基本原则是减薄边界层，促使流体中各部分混合（尤其是换热壁面附近流体的扰动）通常采用的方法肋片•肋片形式要考虑蒸发换热表面结露或结霜的情况•肋片间距表面处理减少接触热阻蒸发器表面结霜霜形成的三个时期霜晶生长期霜层生成期霜层成熟期结霜对蒸发器的影响空气流动阻力增大，风量减小空气侧表面传热系数减小，同时增加导热热阻蒸发器抑制结霜的措施对换热面进行表面处理疏水涂层亲水涂层适当增大室外换热器空气流量改变蒸发器入口空气的含湿量外加电场或磁场制冷系统中的隔热隔热材料的要求热导率小；密度小；吸湿性小；耐火、耐冻和耐久性好；抗压强度高隔热层厚度的计算限定隔热结构外表面温度，不得低于环境空气的露点温度，防止结露11w b b n w nt t t t +h h δλ--=1b n w w b nt t h t t h λδλ-=--选取t b 比t dew 大1-1.5℃制冷系统中的隔热隔热层厚度的计算限定隔热结构传热系数，实质上是将冷损限定于某一范围内011i w i n R h h δδλλ⎡⎤⎛⎫=-++⎢⎥ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦∑q K R δ→→→取两种计算结果的最大值作为设计的隔热层厚度！！制冷系统中的隔热隔热层厚度的确定。
换热器简介与强化换热
主要内容
引言
换热器分类
常见换热器介绍 强化换热
13
1.固定管板式换热器
1.挡板 2.补偿圈 3.放气嘴
它是将两端管板和壳体连接在一起，因而具有结构简单， 造价低廉的优点，但由于壳程清洗和检修困难，管外物料 应清洁、不易结垢 。对温差稍大时可在壳体的适当部位焊 上补偿圈(或称膨胀节)，通过补偿圈发生弹性变形适应外壳 和管束不同的膨胀程度，如图示。这种补偿方法简单但有 限，只适用于两流体温差小于70℃，壳程流体压强小于 0.6MPa的场合。
国内外发展概况
• 国内 为了提高换热器的传热系数，强化传热 效率，国内外出现了多种强化元件及 强化措施，主要包括在换热器中使用 螺旋槽管、横纹管、缩放管、波纹管 、大导程多头沟槽管、整体双面螺旋 翅片管等扩展表面的方法。另外，在 利用处理表面法、粗糙表面法的强化 传热技术方面也有了一定的研究。
国内外发展概况
(2)增加流动的扰动，减薄层流底层。 如在异形管内流动或在管内设置添 加物，采用波纹状或粗糙面等，使 流动方向和大小不断改变等，都可 提高对流传热强度； (3)利用传热进口段换热较强的特征， 采用短管换热器，利用机械或电的 方法使传热面或流体产生振动，采 用射流方法造成喷射传热面等。
国内外发展概况
6.翅片管式换热器
它是在管的表面上加装一定形式的翅 片，有横向和纵向两类。 翅片管换热器主要用于两种流体的对 流传热系数相差较大时，在h小的一侧 加装翅片，从而增大传热面积，提高流 体的湍动程度，以提高对流传热系数。
8.板式换热器
为了使换热器结构更为紧凑，提高单 位体积的传热面积，增加传热效果，以 及适应某些工艺过程的需要等，开发了 以板状作为传热面积的换热器，称为板 式换热器。
强化传热
处于均匀流化的颗粒而 言，它 们对加热面上汽泡核心的数量 和成长汽泡下面的液体微层蒸 发不产生明显的影响，但是对 于液体的对流换热则是具有重 要的作用
在充分流化的前提下，引入固体颗粒均能较为明显的起到强化换热的作用
制冷系统
R134a
中润滑油对强化管外池沸腾传热影响 的实验研究 含油率对于水平管外池沸腾换热的影响受管 结构、蒸发温度和流速等参数的影响 。在相 同流速、不同蒸发温度下 ,含油率为100×10 - 6的管外传热系数总是高于含油率为 50 ×10 - 6的管外传热系数
添加有Tio2纳米颗粒的R11池沸腾换 热研究
结果发现,纳米颗粒的添加基本使管上部粗 糙度降低,传热弱化,而使下部粗糙度增加,传 热强化 就整体换热而言,40℃的强化换热效果 好于30℃ ,0.01g/1的强化换热效果好于 0.05g/1。低热流密度下的强化换热效果好于 高热流密度。在铜管下部,当沸腾温度 40℃， 热流密度为12.5KW/m2时, 0.01g/1的纳米颗 粒添加使其换热系数比纯制冷剂提高20% 。
气泡产生并长大
气泡横向合并
气泡纵向合并
气泡的脱离直径
气泡的脱离时间
汽化核心密度
大空间和毛细管内液氮池沸腾传热的实验研究
结果表明 (1)在实验管径范围内 ,毛细管对加热丝加热的液氮核态沸腾传热有明显强化作用 , 并且管径越小 ,强化作用越明显。其强化换热的机理在于气泡在毛细管内的滑 动增强了加热丝向液氮的对流换热。 (2) ashilev关联式适用于描述倾角对于加热丝加热时液氮在大空间池沸腾的 CHF 值的影响。 (3)管径和倾角共同影响着 CHF值 ,存在一最佳管径 ,可在 30o、60o和 90o三个倾 角下获得最大 CHF值 ,且高于同等倾角下大 空间时的 CHF值。在实验管径范围内 ,CHF 值的最大值并不出现在 90o倾角 , 而是出现在 30o或60o倾角。
关于换热器传热过程的强化
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（3）减小垢层热阻。随着使用时间的增加，管壁处所 结的污垢会越来越厚。由于污垢的导热系数很小，热阻很 大。即使很薄的垢层，其热阻也可能很大，对易结垢流体 的传热，很容易成为关键的热阻。因此，应采用必要的措 施进行除垢。其主要措施有四条。①增大流速。可减少污 垢的沉积。②定期除垢。如蒸发操作，经常是蒸发一次， 清洗一次，清洗要求彻底干净。又如一年一度的大修，对 换热器进行的除垢。③采用化学的方法，如水中加入六偏 磷酸钠、三聚磷酸钠等除垢剂；又如进入锅炉的硬水进行 处理使其成为软水；再如对循环使用的水易生成生物污 垢，可用氯、溴、硫酸铜等作为生物杀菌剂等；④其他方 法，超声波除水垢，其原理是当超声波信号作用于液体中 时，使液体内形成许许多多微小的气泡（空化核），液体 中每个气泡的破裂会产生能量很大的冲击波，这种现象称 之为“空化效应”，超声波除垢正是利用液体中气泡破裂 所产生的冲击波来达到防垢除垢作用。
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强化传热技术综述理工学院装控L081 康世雄08L05031211 绪论随着现代工业的迅速发展,以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧,节能是非常重要的,也是当务之急,世界各国都在寻找新能源和节能新途径。
换热器作为换热设备,广泛应用于冶金、化工等各个工业领域中,强化传热技术的应用不但节能环保,而且节约了投资和运营成本,所以,换热器的强化传热技术一直以来都是一个重要课题,受到研究人员的重视,各种研究成果不断涌现。
当今世界，由于工业，经济的巨大发展，世界各国普遍面临着能量短缺问题，开发新能源以及如何高效利用现有能源得到了世界各国的普遍关注。
由于换热设备在工业生产中的广泛应用，提高换热器效率，研究强化换热的新技术成为人们日益关注的传热学新课题。
(强化换热的方法及新进展)换热器是种类繁多，广泛应用于石油化工、冶金、电力、造纸、船舶、机电、分区供热、暖通空调、余热利用、核工业、食品饮料、医药纺织等工业领域。
据资料统计，在现代石油化工企业中，换热器的投资约占装置建设总投资的30%~40%，在合成氨生产中，换热器约占全部设备总台数的40%，世界各国不断地从事着对新型高校换热设备的研究，以期提高热能利用率，不断降低对天然能源的消耗，因此换热器在减少企业的建设投资和提高企业的经济效益方面具有不可忽视的重要影响。
要达到此目的，就迫切需要研究各种高效能紧凑节能型的换热器。
(强化传热节能技术的研究)随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重, 必然带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。
换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用, 有时甚至是决定性的作用。
目前在发达的工业国家热回收率已达96%, 换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的35% ~ 40% 。
其中管壳式换热器仍然占绝对的优势, 约70% 。
其余30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管和蓄热器等设备, 其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。
随着工业装置的大型化和高效率化, 换热器也趋于大型化, 并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。
当今换热器的发展以CFD ( Computational Fluid Dynamics) 、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。
(国内外新型高效换热器)2 国内外发展概况2.1 国内为了提高换热器的换热系数，强化传热效率，国内外出现了多种强化原件和强化措施，主要包括在换热器中使用螺旋槽管(图1)、横纹管（图2）、缩放管、波纹管（图3）等扩展表面的方法。
另外，在利用处理表面法、粗糙表面法的强化传热技术方面也有了一定的研究。
目前较为新型高效的两种换热器热板式换热器和热管式换热器分别以热板和热管为传热基本单元。
前者利用点焊或滚焊将双层或多层金属板焊成各种图形（图 4），边缘密封，再高压充气完成空间流道，传热效率高，阻力小，可用于加热保温干燥冷却等多种化工过程，前景十分广泛。
后者利用真空管中工作液的汽化冷凝过程传热，使之能在较小温差下传递大量的热量。
在处理表面技术上，大连理工大学采用磁控溅射离子镀铬的方法处理钢管，使传热系数提高40%以上。
华南理工大学进行过粗糙表面法实验，也得到了换热器优化的几何尺寸。
2.2 国外早在1916年，英国学者Chubb就提出了电场强化传热的理论。
但长时间内没有引起人们的重视。
近年来，一些发达国家，开展的EHD强化沸腾传热研究取得了很大的发展，但也尚未真正应用于工程实践。
EHD技术，即电气流体力学技术，又称电场强化冷凝传热技术，进一步强化了对流、冷凝和沸腾传热，特别适用于强化冷凝传热，并适用于低传热介质的冷凝，因而引起人们的普遍关注。
其原理是，接冷凝液表面的张力作用和在静电场下液膜的不稳定现象使液膜厚度减薄，从而强化冷凝传热。
其所需电厂好用的电力很小。
EHD(Electro-hydrodynamics)电流体动力学强化传热是在流体中施加高压静电场，利用电场、流场和温度场的相互耦合作用，而达到强化传热的一种有源强化方法。
早在1916年，英国学者就发现在流体中施加电场能够强化传热，但此后40多年，该项技术并未受到注意和重视。
近年来，由于余热利用、高效暖通空调系统、海洋能和地热能开发中x,lJl,温差传热的要求，加上EHD强化传热具有效果显著、功耗低、易于控制表面热流等一系列优点，其研究逐渐受到重视。
对EHD强化传热的研究主要从以下3个方面进行：(1)试验确定换热系数与外加电场的关系；(2)从流体在电场中的受力角度进行理论分析；(3)应用数值模拟对EHD 强化传热进行研究。
目前EHD强化传热研究处于以实验积累数据为主的研究阶段。
研究认为，外加高压电场可以引起加热表面附近介电流体的附加运动从而影响介电流体的传热，换热器传热系统较易进人混沌，从而强化了传热。
（强化传热技术及其应用）在该领域，国内研究才刚刚起步。
在液体中加一静电场以强化单向流体的对流换热量是一种有吸引力的强化换热方法。
这种方法对气体和液体的自然对流和强制对流都产生一定的强化传热效应。
3 强化传热的途径传热的基本方式有传导、辐射和对流3种, 在实际工程中的换热过程往往是3种传热方式的结合使用。
增强传热系数、增大传热面积、加大平均温度差是强化传热的三种途径，其中增强传热系数是当今强化传热的重点。
（管壳式换热器的换热管强化换热技术浅述）3.1增强传热系数（K）增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。
换热器传热系数（K）的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定，换热器传热过程中的总热阻越大，换热器传热系数（K）值也就越低；换热器传热系数（K）值越低，换热器传热效果也就越差。
换热器在使用过程中，其总热阻是各项分热阻的叠加，所以要改变传热系数就必须分析传热过程的每一项分热阻。
如何控制换热器传热过程的每一项分热阻是决定换热器传热系数的关键。
上述三方面增强传热效果的方法在换热器都或多或少的获得了使用，但是由于扩展传热面积及加大传热温差常常受到场地、设备、资金、效果的限制，不可能无限制的增强，所以，当前换热器强化传热的研究主要方向就是：如何通过控制换热器传热系数（K）值来提高换热器强化传热的效果。
我们现在使用最多的提高换热器传热系数（K）值的技术就是：在换热器换热管中加扰流子添加物，通过扰流子添加物的作用，使换热器传热过程的分热阻大大的降低，并且最终来达到提高换热器传热系数（K）值的目的。
（换热器的强化换热）3.2采用高效能的传热面, 增大传热面积A为了加大传热面积A而增加换热设备体积，会给制造、安装、操作带来困难，显然不是最佳方案。
应提高换热器的紧凑性，用最少的材料取得最大的传热量，即增加单位体积设备的有效传热面积。
其主要措施: 合理布置受热面，扩大热传递面表面，采用紧凑式换热器，提高原有热传递表面。
（强化传热的途径及优化设计）3.3加大平均温差增大传热温差的方法有两种。
一是提高热流体的进VI温度或降低冷流体的进口温度；二是通过传热面的布置来提高传热温差。
当冷热流体顺流流动时，其平均温差最小，当冷热流体逆流流动时，其平均温差最大。
平均温度差的大小主要取决于两流体的温度条件和两流体在换热器中的流动型式。
一般来说，物料的温度由生产工艺来决定，不能随意变动，而加热介质或冷却介质的温度由于所选介质不同，可以育很大的差异。
但需指出的是，提高介质的温度必须考虑到技术卜的可行性和经济上的合理性。
另外，采用逆流操作或增加管壳式换热器的壳程数，均可得到较大的平均温度差。
（强化传热技术及其应用）4 换热器强化传热技术及进展4.1管程强化传热技术4.11螺旋槽管螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凸的异形管，管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数，起到双边强化的作用。
美国、英国、日本从1970年至1980年间对螺旋槽管进行了大量的研究。
华南理工大学、北京理工大学和重庆大学也对螺旋槽管进行试验研究，而且都取得显著的成效。
此外，研究还表明单头螺旋槽管比多头螺旋槽管的性能好。
目前，无论是从传热、流阻、结垢性能，还是从无相变对流换热和有相变凝结换热，对螺旋槽管的强化传热研究从理论到实际已达到较高水平。
进一步结合计算机软硬件的发展，对螺旋槽管在不同场合传热的模拟和仿真，找出具有较大通用性的关联式以及优化螺旋槽管的结构尺寸将是今后研究的方向。
（换热器研究现状及发展趋势）螺旋槽纹管管壁是由光管挤压而成, 有单头和多头之分, 其管内强化传热主要由两种流动方式决定: 一是螺旋槽近壁处流动的限制作用,使管内流体做整体螺旋运动产生的局部二次流动;二是螺旋槽所导致的形体阻力, 产生逆向压力梯度使边界层分离。
螺旋槽纹管具有双面强化传热的作用, 适用于对流、沸腾和冷凝等工况, 抗污垢性能高于光管, 传热性能较光管提高2~ 4倍。
（管壳式换热器节能技术综述）螺旋槽纹管管壁是由光管挤压而成, 有单头和多头之分, 其管内传热强化主要有两种流动方式起决定作用: 一是螺旋槽近壁处流动的限制作用, 使管内流体做整体螺旋运动来产生局部二次流动; 二是螺旋槽所导致的形体阻力, 产生逆向压力梯度使边界层分离。
螺旋槽纹管具有双面强化传热的作用, 适用于对流、沸腾和冷凝等工况, 抗污垢性能高于光管, 传热性能较光管提高2~ 4倍。
华南理工大学和重庆大学经试验研究及理论推导, 得出了单头螺旋横纹管比多头螺旋横纹管的性能好。
德国Hde 公司的螺旋横纹管, 管内传热效率明显优于光管, 当200< Re< 1500 时, 提高传热效率2.0~ 22倍。
（强化传热技术与新型高效换热器研究进展）4.12横纹管横纹管强化机理为: 当管内流体流经横向环肋时, 管壁附近形成轴向漩涡, 增加了边界层的扰动, 使边界层分离, 有利于热量的传递。
当漩涡将要消失时流体又经过下一个横向环肋, 因此不断产生涡流, 保持了稳定的强化传热作用。
研究和实际应用证明: 横槽纹管与单头螺旋槽纹管比较, 在相同流速下, 流体阻力要大一些, 传热性能好些, 其应用场合与螺旋槽纹管相同。
（管壳式换热器节能技术综述）1974年前苏联首先提出横纹管，它是一种用普通圆管作毛胚，在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管内形成一圈突起的环肋。
其强化机理为：当管内流体经横向环肋时，管壁附近形成轴向漩涡，增加了边界层的扰动，有利于热量通过边界层的传递。
当涡流即将消失时，流体又流经下一个横肋，不断产生轴向涡流，因而保持连续且稳定的强化作用。
横纹管主要用来强化管内单相流体的传热，华南理工大学经研究发现，在相同流速下，横纹管流阻比单头螺旋槽管的小。
（换热器研究现状及发展趋势）横纹管的强化机理为: 当管内流体流经横向环肋时, 管壁附近形成轴向漩涡,增加了边界层的扰动, 使边界层分离, 有利于热量的传递。