强化传热

强化传热技术进展

华中科技大学能源与动力工程学院黄素逸

一概述

只要存在着温度差，热量就会自发地由高温传向低温，因此热传递过程是自然界中基本的物理过程之一。它广泛见诸如动力、化工、冶金、航天、空调、制冷、机械、轻纺、建筑等部门。大至单机功率为130万千瓦的汽轮发电机组，小至微电子器件的冷却都与传热过程密切相关。

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。实现热量由冷流体传给热流体的设备就称之为换热器。它是上述工业部门广泛应用的一种通用设备，以电厂为例，如果把锅炉也看作换热设备，则再加上冷凝器，除氧器，高、低压加热器等换热设备，换热器的投资约占整个电厂投资的70%。在炼油企业中四分之一的设备投资用于各种各样的换热器；换热器的重量占设备总重量的20%，在制冷设备中蒸发器、冷凝器的重量也要占整个机组重量的30%~40%。

由于换热器在工业部门中的重要性，因此从节能的角度出发，为了进一步减小换热器的体积，减轻重量和金属消耗，减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，必须用各种办法来增强换热器内的传热。因此最近十几年来，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到了十分迅速的发展，并且取得了显著的经济效果。如美国通用油品公司将该公司电厂汽轮机冷凝器中采用的普通铜管用单头螺旋槽管代替，由于螺旋槽管强化传热的效果，使冷凝器的管子长度减少了44%，数目减少了15%，重量减轻了27%，总传热面积节约30%，投资节省了10万美元。又如用我们研制的椭圆矩形翅片管代替圆形翅片管制作的空冷器，其传热系数可以提高30%，而空气侧的流动阻力可以降低50%。这种空冷器已在我国石化行业和火电厂得到广泛应用，取得了明显的经济效益。

二强化传热的原则

从传热学中我们知道换热器中的传热量可用下式计算，即

Q=kFΔT （1）

式中，k-传热系数[W/(m2·K)]，F-传热面积[m2], ΔT-冷热液体的平均温差[K],从上式可以看出，欲增加传热量Q，可用增加k、F或ΔT来实现。下面我们对此分别加以讨论。

1. 增加冷热液体的平均温差ΔT

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、混合流。在冷热流体进出口温度相同时，逆流的平均温差ΔT 最大，顺流时ΔT 最小，因此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ΔT 。比如某一设备采用水冷却时传热量达不到要求，则可采用氟里昂来进行冷却，这时平均温差ΔT 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性的问题，如许多工业部门经常采用饱和水蒸气作加热工质，当压力为15.86×105Pa 时，相应的饱和温度为437K ，若为了增加ΔT ，采用更高温度的饱和水蒸气，则其饱和压力亦相应提高，此时饱和温度每增高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，但选择的余地并不大。

综上所述，用增加平均温差ΔT 的办法来增加传热只能适用于个别情况。

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方法，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。

一些新型的紧凑式换热器，如板式和板翅式换热器，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。而在板式换热器中则可达1500 m 2，板翅式换热器中更可达5000 m 2，因此在后两种换热器中其传热量要大得多。这就是它们在制冷、石油、化工、航天等部门得以广泛应用的原因。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k

提高传热系数k 是强化传热的最重要的的途径，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 可用下式计算：

21

111

αλδ

α++=k （2）

式中，α1—热液体和管壁之间的对流换热系数，α2—冷流体和管壁之间的对流换热系数，δ—管壁的厚度，λ—管壁的导热系数。

一般讲金属壁很薄，导热系数很大，δ/λ可以忽略。因此传热系数k可以近似写成：k=α1α2/（α1+α2）。由此可知欲增加k，就必须增加α1和α2，但当α1和α2相差较大时，增加它们之中较小的一个最有效。

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。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，使两矢量的方向尽量一致；

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。后者不需外部能量，如表面特殊处理法、粗糙表面法、强化元件法、添加剂法等。

由于强化传热的方法很多，因此在应用强化传热技术时，我们应遵循以下原则：

1）首先应根据工程上的要求，确定强化传热的目的，如减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热量；减少换热器的阻力，以降低换热器的动力消耗等。因为目的不同，采用的方法也不同，与此同时确定技术上的具体要求。

2）根据各种强化方法的特点和上述要求，确定应采用哪一类的强化手段。

3）对拟采用的强化方法从制造工艺，安全运行，维修方便和技术经济性等方面进行具体比较和计算，最后选定强化的具体技术措施。

只有按上述步骤才能使强化传热达到最佳的经济效益。

三单向介质管内对流换热的强化

1 流体旋转法

强化单向介质管内对流换热的有效方法之一是使流体在管内产生旋转运动，这时靠壁面的流体速度增加，加强了边界层内流体的搅动。同时由于流体旋转，使整个流动结构发生变化，边界层内的流体和主流流体得以更好的混合。以上这些因素都使换热的到了强化。

使流体旋转的方法很多，在工艺上可行的有以下几种：

（1）管内插入物

使流体旋转最简单的方法是管内插入各种可使流体旋转的插入物。如扭带、静态混合器、螺旋片等。

a. 扭带