對流傳熱強化方式簡述

趙華融

摘要：在現(xiàn)在化工、動力、食品、制藥、機械及其他許多工業(yè)部門中，換熱器使用廣泛，占整個工廠投資比例約10～30%。在功率一定情況下，提高傳熱效率，可以減輕投資成本，故強化傳熱具有十分重要的意義。

關鍵詞：換熱器;強化傳熱

傳熱主要有三種方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。熱對流指流體發(fā)生宏觀移動時伴隨流體質(zhì)量遷移發(fā)生的熱量傳遞。工業(yè)上常見的是熱對流方式，熱對流之中也包含了熱傳導，本文主要討論熱對流傳熱強化方式。工業(yè)中常用的介質(zhì)，如空氣、煙氣、油類等許多化工流體，它們的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)往往很低。通過強化傳熱，可以縮小設備體積，減少能源和金屬的消耗，這對提高換熱設備性能和節(jié)約成本的作用非常大。無論是高科技領域的新穎應用還是傳統(tǒng)工業(yè)中的技術改造，都對強化傳熱提出新的、更高的要求。熱量從一側(cè)高溫流體經(jīng)過某一壁面?zhèn)鬟f給另一側(cè)低溫流體的傳熱過程一般用下列方程來描述：Q=KA[T]

Q：傳熱速率，W

K：總傳熱系數(shù)，W/（m.m.K）

A：換熱面積，M2

[T] ：對數(shù)平均溫差，K

傳熱速率Q是我們想要增大的，簡單的增大換熱面積沒有意義，因為這違背節(jié)能增效原則。對數(shù)平均溫差主要由兩種流體的溫度確定，由工藝條件給定定，換熱器設計選擇要么順流要么逆流方式，改變有限。故可以強化的參數(shù)就是總傳熱系數(shù)。總傳熱系數(shù)，歸根結(jié)底由總熱阻決定，總熱阻等于熱流體對流傳熱熱阻、壁面導熱熱阻和冷流體對流傳熱熱阻之和。總熱阻力的減少有賴于各局部熱阻的減少。故可以考慮從這三個方向著手。壁面導熱熱阻決定因素小，主要是注意選材，選傳熱系數(shù)大的材料，且結(jié)構上要防止污垢產(chǎn)生或易于清理。因為選材還牽涉到與介質(zhì)的互溶性及結(jié)構強度要求，選擇性不多。對流傳熱熱阻的主要因素有：（1）介質(zhì)的物性參數(shù)：包含密度、黏度、導熱系數(shù)、比熱容、體積膨脹系數(shù);（2）流體的流動狀態(tài);（3）流體的溫度;（4）流體對流類型。由于介質(zhì)的物性參數(shù)和流體的溫度都是工藝定好的，無法更改，故強化傳熱方的方式是改變（2）和（4），主要方法有4個：

1.改變流體的流動狀態(tài)。（1）如提高流速，主要是提高湍流度，但有個問題要注意，流速提高，阻力也會變大，壓損會增大，一般根據(jù)允許壓降來確定可以采用的流速上限。（2）插入物體擾亂流動，這主要針對高粘度介質(zhì)，以層流為主的情況。

2.改變換熱表面的幾何形狀。這是最常用的方式，容易操作，費用低。主要形式：（1）表面粗糙化。根據(jù)需要，可以單面或雙面進行表面粗糙化，如圖一。根據(jù)筆者實際測試結(jié)果，適當幾何參數(shù)的螺紋管的總傳熱系數(shù)比光管高20%～30%;螺紋的深淺、形狀、密度（單位長度齒數(shù)）都對傳熱系數(shù)有影響。筆者也曾通過不同樣式來測試結(jié)果，后面再綜合考慮把一種定位標準化產(chǎn)品樣式。（2）改變特征尺寸。比如用橢圓管或扁管代替圓管。（3）外表面肋化。氣體的傳熱系數(shù)一般比較低，加肋是提高總換熱系數(shù)很有效的方法。

3.改變流體的物性。利用添加劑人為地改變流體的某些物理性質(zhì)，比如導熱系數(shù)和比熱容，這樣可以達到一定的強化傳熱效果。（1）氣體中加入固體顆粒，不但提高了比熱容，固體顆粒因在氣流中的不規(guī)則運動使擾動增加，特別是對邊界層的增加，打打改善傳熱效果。（2）液體中加入氣體。

4.外力強化方法。主要包含機械攪拌、機械振動、超聲波以及外加靜電場等。最常見的是機械攪拌，攪拌器葉輪的提高了流體流動速度，可以大大提高傳熱系數(shù)。換熱面振動有個缺點是設備容易損壞。

強化傳熱要注意幾個問題：

1. 應根據(jù)不同場合、條件，確定采用哪種方法;

2. 并不排除采用兩種以上方法，只要經(jīng)濟上合理，機理上不矛盾。

3. 一側(cè)流體的傳熱強化不應該對另一側(cè)造成不利的影響。

著眼于工程實際應用，從換熱器整體性能的改善出發(fā)考慮強化效果才是合理的。

由于對流換熱問題的多樣性和復雜性和過多的影響因素，以及各個影響因素之間相互制約的特性，迄今為止，實驗仍是研究各種對流換熱工程問題的基本手段。即使是用其他方法或理論推導出來的，由于其中往往包含了許多假設條件或近似值，更不必說工程上還有大量對流傳熱問題根本無法通過數(shù)學解析得到結(jié)果，因此，實驗方法是研究對流換熱問題不可缺少的重要手段之一。實驗研究方法在正確理論分析指導下進行，可以達到理想的效果，或說可以事半功倍。

鑒于此，各換熱器制造廠家有必要根據(jù)自身制造能力、市場換熱器型式、換熱管形狀，推出適合自身的強化傳熱方式的換熱器。

結(jié)語：在換熱器的設計生產(chǎn)過程中，其合理變化換熱管外形及折流板間距、進出管位置等，可以起到強化傳熱的效果，從而提高效率，節(jié)省成本。因此，有必要在充分討論和實際驗證條件下，進行合理開發(fā)設計方案和計算，以提高效能。

參考文獻

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