强化传热技术简介

强化传热技术简介强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是采用强化传热元件，改进换热器结构，提高传热效率，从而使设备投资和运行费用最低，以达到生产的最优化。发展早在18世纪初就提出让风吹过物体表面强化对流传热。但该技术真正引起人们重视是在20世纪60年代后，由于生产和社会发展的需要，强化传热技术载30多年来得到了广泛的发展和应用。迄今为止，强化传热技术在动力，核能，制冷，石油，化工乃至国防工业等领域中得到广泛应用，国内外公开发表的论文和研究报告超过6000篇，获得了数百项专利，已发展成为成熟的第二代传热技术。能源存在形式：矿物核能，地热能，化石燃料的化学能，太阳辐射能，海洋温差能，潮汐能，生物能，江河水利能，风能等，能量实质上就是各种运动形式相互联结，作用，转化的唯一媒介和桥梁，而能量利用的本质则是人为的以自然发生的变化去促成人类所需要的变化。能源不仅是人类社会生存与发展的最基本的物质基础，而且是发展社会生产力的基本条件。由于多年来对能源进行了不适当的开发利用，自20世纪70年代初中东石油危机爆发以来，以能源为中心的环境，生态和社会经济问题日益加剧，世界各国从发认识到节能的重要意义，能源的合理利用已成为当今世界各国应如何良性发展工业的核心问题，各种节能技术如雨后春笋般竞相出现。强化传热技术的分类强化传热技术分为被动式强化技术（亦称为无功技术或无源强化技术）和主动式强化技术（亦称为有功技术或有源强化技术）。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。2.1被动式强化传热技2.1.1处理表面包括对表面粗糙度的小尺度改变和对表面进行连续或不连续的涂层。可通过烧结、机械加工和电化学腐蚀等方法将传热表面处理成多孔表面或锯齿形表面，如开槽、模压、碾压、轧制、滚花、疏水涂层和多孔涂层等。此种处理表面的粗糙度达不到影响单相流体传热的高度，通常用于强化沸腾传热和冷凝传热。2.1.2粗糙表面该方法已发展出很多构形，包括从随机的沙粒型粗糙表面到带有离散的凸起物（粗糙元）的粗糙表面。通常，可通过机械加工、碾轧和电化学腐蚀等方法制作粗糙表面。粗糙表面主要是通过促进近壁区流体的湍流强度、阻隔边界层连续发展减小层流底层的厚度来降低热阻，而不是靠增大传热面积来达到强化传热的目的，主要用于强化单相流体的传热，对沸腾和冷凝过程有一定的强化作用。基于粗糙表面技术开发出的多种异形强化传热管在工业生产中的应用颇为广泛，包括有：螺旋槽管、旋流管、缩放管、波纹管、针翅管、横纹槽管、强化冷凝传热的锯齿形翅片管和花瓣形翅片管、强化沸腾传热的高效沸腾传热管以及螺旋扭曲管等。2.1.3扩展表面该方法已在很多换热器中得到了常规应用。如翅片管等非传统的扩展表面的发展使传热系数有了很大的提高。其强化传热的机理主要是此类扩展表面重塑了原始的传热表面，不仅增加了传热面积，而且打断了其边界层的连续发展，提高了扰动程度，增加了传热系数，从而能够强化传热，对层流换热和湍流换热都有显著的效果。因此，扩展表面法得到越来越广泛的应用，不仅用于传统的管壳式换热器管子结构的改进，而且也越来越多的应用于紧凑式换热器。目前已开发出了各种不同形式的扩展表面，如管外翅片和管内翅片（包括很多种结构形状，如平直翅片、齿轮形翅片、椭圆形翅片和波纹形翅片等）、叉列短肋、波型翅多孔型、销钉型、低翅片管、太阳棒管、百叶窗翅及开孔百叶窗翅（多在紧凑式换热器中使用）等。2.1.4扰流装置把扰流装置放置在流道内能改变近壁区的流体流动，从而间接增强传热表面处的能量传输，主要用于强制对流。管内插入物中有很多都属于这种扰流装置，如金属栅网、静态混合器及各式的环、盘或球等元件。2.1.5漩涡流装置包括很多不同的几何布置或管内插入物，如内置漩涡发生器、纽带插入物和带有螺旋形线圈的轴向芯体插入物。此类装置能增加流道长度并能产生旋转流动或（和）二次流，从而能增强流体的径向混合，促进流体速度分布和温度分布的均匀性，进而能够强化传热，主要用于增强强制对流传热，对层流换热的强化效果尤其显著。2.1.6螺旋盘管其应用可提高换热器的紧凑度。它所产生的二次流能提高单相流体传热的传热系数，也能增强沸腾传热。2.1.7表面张力装置包括利用相对较厚的芯吸材料或开槽表面来引导流体的流动，主要用于沸腾和冷凝传热。芯吸作用常用在没有芯吸材料冷却介质就不能到达受热表面的情形，常见的如热管换热器；还对水中表面的沸腾换热强化非常有效。2.1.8添加物包括用于液体体系的添加剂和用于气体体系的添加剂。液体中的添加剂包括用于单相流的固体粒子与气泡和用于沸腾系统的微量液体；气体中的添加剂包括液滴和固体粒子，可用于稀相（气固悬浮液）或密相（流化床）。2.1.9壳程强化壳程传热的强化包括两个方面：一是改变管子外形或在管外加翅片，即通过管子形状或表面性质的改造来强化传热；二是改变壳程挡板或管间支撑物的形式，尽可能消除壳程流动与传热的滞留死区，尽可能减少甚至消除横流成分，增强或完全变为纵向流。传统的管壳式换热器，通常采用单弓形折流板，其阻力大、死角多、易诱发流体诱导振动等弊端已严重影响换热器传热效率，对工业生产和应用造成相当大的影响。据此，近年研究出了许多新的壳程支撑结构，有效弥补了单弓形折流板支撑物的不足，如双弓形折流板、三弓形折流板、螺旋形折流板、整圆形折流板（包括大管孔、小圆孔、矩形孔、梅花孔和网状整圆形折流板）、窗口不排管、波网支撑、折流杆式、空心环式、管子自支撑（包括刺孔膜片式、螺旋扁管式和变截面管式）、扭曲管和混合管束换热器式以及德国GRIMMA公司制造的纵流管束换热器等。2.2主动式强化传热技术2.2.1机械搅动包括用机械方法搅动流体、旋转传热表面和表面刮削。带有旋转的换热器管道的装置目前已用于商业应用。表面刮削广泛应用于化学过程工业中黏性流体的批量处理，如高黏度的塑料和气体的流动，其典型代表为刮面式换热器，广泛用于食品工业。2.2.2表面振动无论是高频率还是低频率振动，都主要用于增强单相流体传热。其机理是振动增强了流体的扰动，从而使传热得以强化。虽然振动本身对强化传热有不小的贡献，但激发振动所需从外界输入的能量可能会得不偿失。为此,山东大学研究表明，可利用流体诱导振动来强化传热，依靠水流本身激发传热元件振动，会消耗很少的能量。利用流体诱导振动强化传热既能提高对流传热系数，同时又能降低污垢热阻，即实现了所谓的复合式强化传热。2.2.3流体振动由于换热设备一般质量很大，表面振动这种方法难以应用，然后就出现了流体振动，该方法是振动强化中最实用的一种类型。所使用的振荡发生器从扰流器到压电转换器，振动范围大约从脉动的1Hz到超声波的106Hz。主要用于单相流体的强化传热。2.2.4静电场可以通过很多不同的方法将静电场作用于介电流体。总体来说，静电场可以使传热表面附近的流体产生较大的主体混合，从而使传热强化。静电场还可以和磁场联合使用来形成强制对流或电磁泵。静止流体中加足够强度静电场所形成的电晕风能在一定条件下强化单相流体的传热。如日本Mizushina以空气为工质研究环形通道内电晕风对强制对流的影响，分别得到了存在电晕风时的努塞尔准数及阻力系数与雷诺数的关系曲线及经验公式。2.2.5喷射包括通过多孔的传热表面向流动液体中喷射气体，或向上游传热部分喷注类似的流体。2.2.6抽吸包括在核态沸腾或膜态沸腾中通过多孔的受热表面移走蒸汽和在单相流中通过受热表面排出液体。有研究预测，抽吸能大大提高层流流动和湍流流动的换热系数，其中能大大增强湍流对流换热已被Aggarwal等［6］人证实。两个或两个以上这些传热强化技术可以复合使用，从而达到比仅仅使用一种技术更好的强化传热效果，这种复合使用被称为复合式强化传热技术。如在内翅管或粗糙管中插入纽带插入物，带有声波振动的粗糙柱面，在流化床中使用翅片管，带有振动的外翅管，加有电场的气固悬浮液以及有空气脉动的流化床等。但须注意的是，并不是每两个或多个单个强化技术任意复合都能产生比单个强化技术更好的传热强化效果，比如有研究表明，带有内翅的螺旋盘管的平均努塞尔准数要低于普通的螺旋盘管。必须经过实践检验才能确认其对传热强化的有效性，获得最佳的强化传热效果。强化换热技术的新进展随着强化传热技术的研究和发展，近几年来出现了很多强化换热的新方法，本文主要介绍近年来发展应用的强化换热新工质，并对其他强化换热新方法做简要介绍。2.3.1新型强化换热材料及介质的应用⑴多孔材料的发展应用多孔材料是20世纪初出现，二战以后发展较快的一类材料。由于孔隙的存在及孔隙与环境的交互作用引发出各种功能特性，是一种集结构和功能于一体的功能结构一体化材料，广泛应用于各行业的过滤分离、流体渗透与分布控制、高效燃烧、强化传热传质等领域。根据材料中孔洞形式的不同，多孔材料可分为蜂窝材料、泡沫金属材料和点阵材料。多孔材料具有质量轻、强度大、刚度高、韧性强的特点，同时由于多孔材料中存在大量有随机性或方向性的孔洞，孔洞中充满低导热系数的空气介质，因此闭孔多孔材料具有优良的隔热性能，而通孔多孔材料应用于强制对流可显著提高对流换热能力。利用多孔材料调整流场分布，可以减薄边界层厚度，有效增强换热。其中点阵材料不但具有较高的热导率而且强度很大，当传热设备同时要求具有一定的承载能力时，点阵材料是一种很好的选择。由于多孔材料具有上述优良的机械性能和良好的热性质，因此，近年来被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑工程、机械工程、电化学工程、环境保护工程等领域。我国对多孔材料的研究工作近几年来发展迅速：2006年在西安交通大学启动了由国内多所高校和科研院所参与的《超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究》973计划，该项目计划通过五年的实施完成建立超轻多孔材料的结构设计、制备及应用一体化的完整的科学理论和技术体系，为超轻多孔材料微观构型与宏观结构的一体化多学科协同设计与制造以及其服役寿命与可靠性预测提供技术支撑。2007年7月，科技部公布了首批“企业国家重点实验室”名单，金属多孔材料与技术实验室名列其中，该实验室依托西北有色金属研究院进行筹建，重点进行金属多孔材料孔结构基础理论、制备理论及技术、性能表征以及应用的研究。上述项目的启动和实验室的建立反映了国家对于多孔材料研究的重视。低熔点液体金属及其合金的发展应用将低熔点液体金属及其合金作为散热工质是2002年由中国科学院理化研究所刘静所在的实验室提出的，同年该实验室在我国申请了这一技术的首项专利。由于传统的风冷散热手段已无法满足日益增大的电子器件功率的散热要求，液冷被认为是解决这一问题的有效手段。液冷散热虽然效率较高，但是在运行中一旦发生泄露或蒸发会导致器件老化、腐蚀，一旦驱动装置故障，液体流动停止，有可能会导致芯片烧毁，后果不堪设想。基于液冷散热的上述特性产生了将低熔点液体金属应用于芯片散热液冷系统中的想法。在这种新型散热技术中，流动于流道中的并非传统的水，有机溶液或其他功能流体而是在室温附近即可熔化的低熔点液态金属。由于液体金属具有远高于水、空气及其他非金属介质的热导率且具有流动性，导热量和对流散热量都增大，因而可以进行快速高效的热量输运。采用低熔点液态金属后散热器可以做的很小且仅使用小功率电磁泵就可进行驱动，可实现整体集成化的微型散热器。虽然可供选择的低熔点液态金属很多，但是目前我国及国外一些相应研究机构的主要目标集中在金属镓上。自然界中，镓是一种柔软无毒的银白色金属，其熔点仅为29.77°C，在熔点时的导热系数为29.23W・m-1・°C-1，远高于空气和水。而且镓的蒸发温度很高，约为2000C，不像其他液体工质容易在运行中因蒸发而散失。因此，镓适合作为低熔点液体金属散热工质。除了金属镓之外，国内外研究者也在努力寻找其他适合的低熔点液态金属及其合金。由于低熔点液态金属散热装置具有散热能力强、噪音低、性能稳定可靠的优点因而具有良好的发展空间。目前该技术的出现已引起计算机及半导体芯片业界的广泛关注，低熔点液态金属渴望作为一种理想冷却工质在芯片散热领域发挥关键作用。纳米流体的发展应用1995年，Choi等首次提出了纳米流体(nanofluids)的概念：即以一定方式和比例将纳米级金属或非金属氧化物粒子添加到流体中，形成一类新的换热工质即纳米流体。固体颗粒的热导率比液体大几个数量级，因此，悬浮有固体颗粒的两相流液体比纯液体的热率大得多。纳米颗粒很细，有很大的表面积，因而更适合传热。大的比表面积不仅改善传热能力，而且增加悬浮液的稳定性。悬浮在液体中的纳米粒子在布朗力的作用下做无规则的扩散运动，这种扩散运动使纳米粒子所携带的能量发生了迁移，增强了纳米粒子内部的能量传递，增强了传热，同时，在纳米粒子和液体间还有微对流运动存在，进一步加强了热量传递。影响纳米流体换热性能的因素包括颗粒尺度、表面形状、体积份额以及分布等，文献［9］指出纳米流体一旦发生颗粒聚集，随着颗粒聚集度的增加，纳米流体的换热性能降低。纳米流体可应用于钢铁冶金生产过程中作为冷却工质保护某些设备不被烧毁，减少电能消耗和冷却水消耗，保证生产正常进行。除了在钢铁冶金领域的应用，纳米流体也可应用于余热锅炉的能量回收过程，大幅度提高余热回收率，降低能耗。2.3.2各种异型强化换热管的应用目前应用的主要异型强化管有螺旋槽纹管，横纹槽管，波纹换热管以及翅片管。异型强化换热管的强化换热原理是利用各种管的特殊结构产生涡旋，扰动来减薄边界层厚度，增大低热阻区，加强传热。除波纹管由于加工工艺的特殊性，选材及规格受到限制外，其他三种强化换热管在选材和规格上一般均无限制。螺旋槽纹管和横纹槽管广泛应用于各种形式的换热器、余热锅炉中，翅片管主要应用在管壳式换热器及空冷器中。除了以上介绍的四种常用的异型强化换热管外，还有旋流管、螺旋扁管、缩放管等异型管，在实际中也有一些应用.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。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，保持了稳定的强化作用。近年来，华南理工大学与桂林化机厂合作，将在相同管内流速下传热效率优于螺旋槽管的横纹管折流杆换热器在云南某化肥厂投入工业运行，取代了原有的DN2400列管式折流板主热交换器，使设备投资节省1/3,取得了良好的经济效益。横纹管折流板换热器融合了折流杆换热器技术与横纹管强化传热技术，是一种高效换热器。（强化传热技术与新型高效换热器研究进展）4.13缩放管缩放管是由依次交替的多节渐缩段和渐扩段构成。其传热机理为：缩放管通过壁面缩放，使流体压力发生周期性的变化产生剧烈的漩涡冲刷流体边界层，使其减薄，壁面缩放还促进了流动粘性底层之外与传热粘性底层内的流体速度场与温度梯度的协同，增加了传热系数。研究表明，缩放管收缩段的平均换热能力比较大，扩张段的局部换热系数呈下降趋势，其原因是在扩张减速段的流体流动有弱化传热的作用，而在收缩加速段的流体有强化传热的作用，现有缩放管结构中扩张段与收缩段的长度在总肋间距中各占一半，因扩张段所占比例较大，故流体流动对传热的弱化作用明显，使总的传热效率不够理想。为了优化其结构，可以增加收缩段所占比例，相应减少扩张段的长度，并在缩放连接处采用平直链面连接方式，以减小流体阻力。（管壳式换热器节能技术研究）缩放管是由多节交替的收缩段与扩张段构成的波形管道，其结构见图4。根据收缩段和扩张段是否对称分为对称缩放管和非对称缩放管两种。缩放管强化传热的机理是：在扩张段流体速度降低，静压增大；在收缩段流体速度增加，静压减小；流体在方向反复改变的轴向压力梯度作用