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。