如何強化傳熱技術及一些典型的應用
論文摘要：本文闡明了強化傳熱技術的重要性及其發展趨勢；包括強化傳熱的分類、強化傳熱的途徑、強化傳熱的應用場合等；列舉了一些強化傳熱的典型應用，包括表面增強型蒸發管、采用波紋換熱管管內強化傳熱、采用超聲波抗垢強化傳熱技術、采用螺旋槽管的強化傳熱技術、采用小熱管的強化傳熱技術等。通過分析得出強化傳熱應注意的一些問題。
論文關鍵詞：強化傳熱 典型 應用
由于生產和科學技術發展需要強化傳熱從80年代起就引起了廣泛的重視和發展。表現在設計和制造各類高性能熱設備，航空，航天及核聚變等尖端技術，計算機里密集布置電子元件的有效冷卻。正是上述原因促使人們對強化傳熱進行及為廣泛的研究和探討，從80年代到現在近20多的時間里，世界各國的科學領域里，有關強化傳熱研究報告舉不勝數。
一、強化傳熱技術的分類
（一）導熱過程的強化
導熱是熱量傳遞的三種基本方式之一，它同樣也存在著強化問題。導熱是依靠物體中的質量（分子，原子，或自由電子）運動來傳遞能量。固體內部不同溫度層之間的傳熱就是一種典型的導熱過程，但固體之間接觸存在著接觸熱阻，降低了能量的傳遞，在高熱流場合下，為了盡快導出熱量必須設法降低接觸熱阻，一般可采用以下方法：
1、提高接觸面之間光潔度或增加物體間的接觸壓力以增加接觸面積
2、在接觸面之間填充導熱系數較高的氣體（如氦氣）
3、在接觸面上用電化學方法添加軟金屬涂層或加軟技術墊片
（二）輻射換熱的強化
輻射換熱普遍存在于自然界和許多生產過程中，只要物體溫度高于絕對零度，它就能依靠電磁波向外發射能量，所以物體之間總是存在著輻射換熱，在物之間溫度差別不是很大的情況下，輻射換熱可以忽略，但在高溫設備中輻射卻是換熱的主要方式。而影響輻射換熱的因素主要有：表面粗糙度，固體微粒，材料。
（三）對流換熱強化
對流強化傳熱與流體的物理特性，流動狀態，流道幾何形狀，有無相變發生以及傳熱壁面的表面狀況等許多因素有關。其中對流換熱的有源強化又可分為：利用機械攪動加強流體與壁面間的傳熱，流體脈動和傳熱面震動時的對流換熱，電磁場作用下的對流換熱，經過多孔壁有質量透過時的壁面換熱。而對流換熱的無源換熱又可分為：管內插入物對傳熱的增強，渦旋流動的強化傳熱，添加物對流換熱，流化床與埋管間的傳熱，射流沖擊。
二、強化傳熱的途徑
在熱設備中應用強化傳熱技術的目的一般有：（1）增加輸熱量；（2）減少換熱面積和縮小設備體積；（3）降低載熱劑輸送功率的消耗；（4）降低高溫部件的溫度。在表面式換熱器中，單位時間內的換熱量Q與冷熱流體的溫度差△t及傳熱面積F成正比，即Q=KF△t，式中K為傳熱系數，是反映傳熱強弱的指標。從上式可以看出，增大傳熱量可以通過提高傳熱系數，擴大傳熱面積和增大傳熱溫差3種途徑來實現。
三、應用場合
不同的強化傳熱技術有不同的應用場合：對流換熱按其發生的原因可分為自然對流換熱和強制對流換熱。在這良種對流換熱過程中，就流體的運動狀態又可區分為層流換熱及湍流關熱，這取決于流體的雷諾數，流道集合形狀和固體的壁面狀況。從流道集合想狀來看就更為復雜，既有圓形，環形，三角形，弧形，又有縱向或橫向掠過管簇以及由各種形狀管翅或板翅結構組成的復雜集合通道。如果流體在穿熱過程中發生相變，則又有遲內沸騰，流動沸騰及蒸汽凝結之分。
前面提到的那些強化傳熱技術，有的只使用于特定的某些傳熱介質和傳熱過程，有的則對所有對流換熱狀態都有不同程度的強化作用。其中在各類通道中強制對流（包括層流及湍流）換熱的強化研究得最多，因而也是最成熟的和在工業上應用的最廣的。從強化傳熱各類措施來看，研究得最多的是各種發展表面，粗糙表面和渦旋強化，而且它們還被廣泛地應用于各類熱設備中去。就目前來看，應用最多的是換熱器方面的強化傳熱。當然其他電子方面也有很多。
四、強化傳熱的應用舉例
（一）表面增強型蒸發管
采用雙側強化管型，管內側有內螺紋槽，管外側是一種利用機械加工的雙重凹陷多孔結構，管型的機構其總傳熱系數隨著流速的增大而增大，當管內水流速為0.3~1.3m/s時，主翅和內翅的翅高分別為0.70mm和0.48mm，翅數分別為52和38時，增大了換熱面積，管表面更多的凹陷增加了汽化核心數量，其換熱性能最為優越。
（二）采用波紋換熱管管內強化傳熱
用波紋管代替傳統的光滑直管，能大大強化熱量傳遞。分別在實驗環境溫度20度，管程水流量40-1400L/h，雷諾數Re=1800 -24000，蒸汽壓力為0.15MPa，蒸汽溫度為113.5度；實驗環境溫度20度，管程水流量范圍40-1400L/h，雷諾數Re=1800-24000，蒸汽壓力為0.15MPa，蒸汽溫度為113.5度。在實驗Re變化范圍內，波紋管的管內對流傳熱系數a和努塞爾數Nu均隨著Re的增大而增大，并且都比光滑直管大2.5-3倍。
（三）采用超聲波抗垢強化傳熱技術
超聲波在液體媒質中傳播時會產生機械振動作用，空化作用和熱作用。這些作用同時產生效應，會減弱成垢物質的分子之間結合力以及析出垢粒與管道間的附著力，破壞垢物生成和板結的條件，阻止垢物的生長，從而實現防垢的功能。同時也可導致已形成的垢物脫落，形成松散而不易板結的沉淀物，達到除垢作用。超聲波抗垢裝置主要由超聲波發生器，傳聲系統和換能器組成。石油大學等人的研究表明循環動態情況下與靜態情況下的結垢程度相當；聲波的防垢作用是很明顯的，其防垢效率最低達85%，比通常的化學防垢效果還搞，如果實驗條件加以改進其效果會更好。
前蘇聯科學家研究發現，當聲強大于15W/m2時，超聲波可使積垢系數（垢層熱阻于總熱阻之比）降低并做到整個生產期不用清洗。中國藍星化學清洗總公司研究得出：超聲波有明顯的阻垢功效，施加20kHZ的聲波可使鈣離子和碳酸根離子的結合過程變得很緩慢，阻垢率達到85%以上。
（四）采用螺旋槽管的強化傳熱技術
周強泰等人通過對螺旋槽管管內外單相流體傳熱進行研究，并將試驗數據按流動參數，物性參數和幾何參數采用無量綱準則進行整理，給出了Re=104-105范圍內換熱系數的關聯式，該關聯式可以作為螺旋槽管換熱器的設計依據。
螺旋槽管代替光管作空氣預熱器，可減輕末級空氣預熱器的積灰，提高傳熱能力，因而可降低排煙溫度及提高熱風溫度；可以代替回轉式空氣預熱器，解決其漏風和積灰問題，此外還可根據不同的具體情況解決鍋爐的一些特殊問題。螺旋槽管作為電站鍋爐空氣預熱器的傳熱管件，大量應用與現役煤粉鍋爐空氣預熱器的更換改造和新型的整套設計，其性能明顯比其他型式空氣預熱器優越。
（五）采用小熱管的強化傳熱技術
對五種內徑相近的小熱管在不同工作溫度，熱流密度及傾角下的傳熱研究，五種熱管帶有不同吸液芯結構：微粒管，網芯管，加網芯槽管燒結芯管，光管。五種熱管的蒸發傳熱系數都隨工作溫度的升高而增加；隨著傾角的增大而增大；微粒管和網芯管的傳熱系數基本上隨熱流密度的增大而增加，而加網芯管微粒管，燒結芯管和光管則隨熱流密度的增加而逐漸減小。有吸液芯的四種熱管都不同程度地強化了管內蒸發和凝結換熱，其中，微粒管的傳熱系數最高，而且對傾角的變化敏感，大傾角時約為光管的9倍，小傾角約為光管的14倍；加網芯管微粒管的凝結強化效果最好，其傳熱系數可達光管的15倍。
五、強化傳熱應該考慮的問題
（一）采用強化傳熱措施所獲得的設備功率的增加和系統熱效率的提高，或者設備體積減小，傳熱介質輸送功率降低等效果究竟有多大？
（二）采用所選擇的強化傳熱措施后需要增加多少費用？工藝復雜性怎么樣？能否大規模生產？
（三）所采用的強化傳熱方法與傳熱介質的相容性如何？能否保證強化傳熱性能持久有效？
（四）采用強化傳熱措施后能收到多大的經濟效益？
六、總結
大多數強化傳熱方法都能有效地提高傳熱系數，能起到很好的強化傳熱的目的，但各種方法都有其最合適的應用場所，需根據具體的問題采用不同的強化方法，作到最優化的強化傳熱。對于任何一種新的強化傳熱技術，僅停留在理論上的研究是不夠的，還應對其應用領域進行深入的了解，調查和研究，并掌握有針對性地解決存在問題的方法，才能在實踐中得到推廣應用。
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