如何强化传热技术及一些典型的应用

~ 如何强化传热技术及一些典型的应用

　　论文摘要：本文阐明了强化传热技术的重要性及其发展趋势；包括强化传热的分类、强化传热的途径、强化传热的应用场合等；列举了一些强化传热的典型应用，包括表面增强型蒸发管、采用波纹换热管管内强化传热、采用超声波抗垢强化传热技术、采用螺旋槽管的强化传热技术、采用小热管的强化传热技术等。通过分析得出强化传热应注意的一些问题。

　　论文关键词：强化传热 典型 应用
　　
　　由于生产和科学技术发展需要强化传热从80年代起就引起了广泛的重视和发展。表现在设计和制造各类高性能热设备，航空，航天及核聚变等尖端技术，计算机里密集布置电子元件的有效冷却。正是上述原因促使人们对强化传热进行及为广泛的研究和探讨，从80年代到现在近20多的时间里，世界各国的科学领域里，有关强化传热研究报告举不胜数。

　　一、强化传热技术的分类

　　（一）导热过程的强化
　　导热是热量传递的三种基本方式之一，它同样也存在着强化问题。导热是依靠物体中的质量（分子，原子，或自由电子）运动来传递能量。固体内部不同温度层之间的传热就是一种典型的导热过程，但固体之间接触存在着接触热阻，降低了能量的传递，在高热流场合下，为了尽快导出热量必须设法降低接触热阻，一般可采用以下方法：
　　1、提高接触面之间光洁度或增加物体间的接触压力以增加接触面积
　　2、在接触面之间填充导热系数较高的气体（如氦气）
　　3、在接触面上用电化学方法添加软金属涂层或加软技术垫片
　　（二）辐射换热的强化
　　辐射换热普遍存在于自然界和许多生产过程中，只要物体温度高于绝对零度，它就能依靠电磁波向外发射能量，所以物体之间总是存在着辐射换热，在物之间温度差别不是很大的情况下，辐射换热可以忽略，但在高温设备中辐射却是换热的主要方式。而影响辐射换热的因素主要有：表面粗糙度，固体微粒，材料。
　　（三）对流换热强化
　　对流强化传热与流体的物理特性，流动状态，流道几何形状，有无相变发生以及传热壁面的表面状况等许多因素有关。其中对流换热的有源强化又可分为：利用机械搅动加强流体与壁面间的传热，流体脉动和传热面震动时的对流换热，电磁场作用下的对流换热，经过多孔壁有质量透过时的壁面换热。而对流换热的无源换热又可分为：管内插入物对传热的增强，涡旋流动的强化传热，添加物对流换热，流化床与埋管间的传热，射流冲击。

　　二、强化传热的途径

　　在热设备中应用强化传热技术的目的一般有：（1）增加输热量；（2）减少换热面积和缩小设备体积；（3）降低载热剂输送功率的消耗；（4）降低高温部件的温度。在表面式换热器中，单位时间内的换热量Q与冷热流体的温度差△t及传热面积F成正比，即Q=KF△t，式中K为传热系数，是反映传热强弱的指标。从上式可以看出，增大传热量可以通过提高传热系数，扩大传热面积和增大传热温差3种途径来实现。

　　三、应用场合

　　不同的强化传热技术有不同的应用场合：对流换热按其发生的原因可分为自然对流换热和强制对流换热。在这良种对流换热过程中，就流体的.运动状态又可区分为层流换热及湍流关热，这取决于流体的雷诺数，流道集合形状和固体的壁面状况。从流道集合想状来看就更为复杂，既有圆形，环形，三角形，弧形，又有纵向或横向掠过管簇以及由各种形状管翅或板翅结构组成的复杂集合通道。如果流体在穿热过程中发生相变，则又有迟内沸腾，流动沸腾及蒸汽凝结之分。
　　前面提到的那些强化传热技术，有的只使用于特定的某些传热介质和传热过程，有的则对所有对流换热状态都有不同程度的强化作用。其中在各类通道中强制对流（包括层流及湍流）换热的强化研究得最多，因而也是最成熟的和在工业上应用的最广的。从强化传热各类措施来看，研究得最多的是各种发展表面，粗糙表面和涡旋强化，而且它们还被广泛地应用于各类热设备中去。就目前来看，应用最多的是换热器方面的强化传热。当然其他电子方面也有很多。

　　四、强化传热的应用举例

　　（一）表面增强型蒸发管
　　采用双侧强化管型，管内侧有内螺纹槽，管外侧是一种利用机械加工的双重凹陷多孔结构，管型的机构其总传热系数随着流速的增大而增大，当管内水流速为0.3~1.3m/s时，主翅和内翅的翅高分别为0.70mm和0.48mm，翅数分别为52和38时，增大了换热面积，管表面更多的凹陷增加了汽化核心数量，其换热性能最为优越。
　　（二）采用波纹换热管管内强化传热
　　用波纹管代替传统的光滑直管，能大大强化热量传递。分别在实验环境温度20度，管程水流量40-1400L/h，雷诺数Re=1800 -24000，蒸汽压力为0.15MPa，蒸汽温度为113.5度；实验环境温度20度，管程水流量范围40-1400L/h，雷诺数Re=1800-24000，蒸汽压力为0.15MPa，蒸汽温度为113.5度。在实验Re变化范围内，波纹管的管内对流传热系数a和努塞尔数Nu均随着Re的增大而增大，并且都比光滑直管大2.5-3倍。
　　（三）采用超声波抗垢强化传热技术
　　超声波在液体媒质中传播时会产生机械振动作用，空化作用和热作用。这些作用同时产生效应，会减弱成垢物质的分子之间结合力以及析出垢粒与管道间的附着力，破坏垢物生成和板结的条件，阻止垢物的生长，从而实现防垢的功能。同时也可导致已形成的垢物脱落，形成松散而不易板结的沉淀物，达到除垢作用。超声波抗垢装置主要由超声波发生器，传声系统和换能器组成。石油大学等人的研究表明循环动态情况下与静态情况下的结垢程度相当；声波的防垢作用是很明显的，其防垢效率最低达85%，比通常的化学防垢效果还搞，如果实验条件加以改进其效果会更好。
　　前苏联科学家研究发现，当声强大于15W/m2时，超声波可使积垢系数（垢层热阻于总热阻之比）降低并做到整个生产期不用清洗。中国蓝星化学清洗总公司研究得出：超声波有明显的阻垢功效，施加20kHZ的声波可使钙离子和碳酸根离子的结合过程变得很缓慢，阻垢率达到85%以上。
　　（四）采用螺旋槽管的强化传热技术
　　周强泰等人通过对螺旋槽管管内外单相流体传热进行研究，并将试验数据按流动参数，物性参数和几何参数采用无量纲准则进行整理，给出了Re=104-105范围内换热系数的关联式，该关联式可以作为螺旋槽管换热器的设计依据。
　　螺旋槽管代替光管作空气预热器，可减轻末级空气预热器的积灰，提高传热能力，因而可降低排烟温度及提高热风温度；可以代替回转式空气预热器，解决其漏风和积灰问题，此外还可根据不同的具体情况解决锅炉的一些特殊问题。螺旋槽管作为电站锅炉空气预热器的传热管件，大量应用与现役煤粉锅炉空气预热器的更换改造和新型的整套设计，其性能明显比其他型式空气预热器优越。
　　（五）采用小热管的强化传热技术
　　对五种内径相近的小热管在不同工作温度，热流密度及倾角下的传热研究，五种热管带有不同吸液芯结构：微粒管，网芯管，加网芯槽管烧结芯管，光管。五种热管的蒸发传热系数都随工作温度的升高而增加；随着倾角的增大而增大；微粒管和网芯管的传热系数基本上随热流密度的增大而增加，而加网芯管微粒管，烧结芯管和光管则随热流密度的增加而逐渐减小。有吸液芯的四种热管都不同程度地强化了管内蒸发和凝结换热，其中，微粒管的传热系数最高，而且对倾角的变化敏感，大倾角时约为光管的9倍，小倾角约为光管的14倍；加网芯管微粒管的凝结强化效果最好，其传热系数可达光管的15倍。

　　五、强化传热应该考虑的问题

　　（一）采用强化传热措施所获得的设备功率的增加和系统热效率的提高，或者设备体积减小，传热介质输送功率降低等效果究竟有多大？
　　（二）采用所选择的强化传热措施后需要增加多少费用？工艺复杂性怎么样？能否大规模生产？
　　（三）所采用的强化传热方法与传热介质的相容性如何？能否保证强化传热性能持久有效？
　　（四）采用强化传热措施后能收到多大的经济效益？

　　六、总结

　　大多数强化传热方法都能有效地提高传热系数，能起到很好的强化传热的目的，但各种方法都有其最合适的应用场所，需根据具体的问题采用不同的强化方法，作到最优化的强化传热。对于任何一种新的强化传热技术，仅停留在理论上的研究是不够的，还应对其应用领域进行深入的了解，调查和研究，并掌握有针对性地解决存在问题的方法，才能在实践中得到推广应用。

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