淺議換熱器強化傳熱技術

于鵬 王二龍 (國家熱交換產品質量監督檢驗中心，吉林 四平 136000)

1 強化傳熱技術的價值

隨著能源危機的日益加深，如何高效利用能源成了社會各界廣泛關注的焦點。在工業生產領域，換熱器作為一種關鍵設備，在傳遞能量方面發揮著重要作用，其傳熱性能的高低對能源利用效率產生直接且明顯的影響。所謂強化傳熱技術指的是，提升和保證換熱器綜合效率的一系列措施的集合。二十世紀七十年代初，能源危機幾乎波及全球各國，這在很大程度上推動了強化傳熱技術的進一步發展[1]。若想達成節能降耗的目的，則需要針對傳熱環節所涉及的強化問題進行深入研究，并在此基礎上設計出適宜的強化傳熱結構，這也已然成為現代工業節能工作中亟需解決的問題之一。

2 主動式強化傳熱技術

2.1 機械攪拌

機械攪拌主要有三種形式，一是攪動流體，二是旋轉傳熱表面，三是表面刮削[2]。擁有可旋轉性能換熱器管道的設備現如今已經被廣泛應用于商業領域。表面刮削常見于化學生產領域黏性流體的批量式處理，如刮面式換熱器，目前已經在食品工業領域得以普及應用，并取得了良好的應用效果。

2.2 表面振動

不管是高頻率振動，又或者是低頻率振動，大多情況下都用來增強單相流體傳熱。其作用原理是，通過振動以實現對流動擾動的強化，最終達成強化傳熱的目的。盡管振動能夠強化傳熱，然而振動需要大量外界能量的支撐，因而顯得得不償失。有鑒于此，相關學者研究指出，可通過流體誘導振動，進而達成強化傳熱的目的，利用水流自身特性誘導傳熱元件發生振動，能夠節省大量能量，不僅如此，還可以降低污垢熱阻，獲得復合式強化傳熱效果。

2.3 靜電場

可借助一些方法使靜電場施加作用于介電流體。總體而言，靜電場能夠讓傳熱表面處的流體形成比較充分的主體混合，最終達成強化傳熱的目的。靜電場還能夠與磁場結合應用，產生強制對流環境或擁有該功能的電磁泵。對于靜止流體，施加相應強度靜電場所產生的電暈風能可以在相應條件下完成對單相流體傳熱的有效強化。

3 被動式強化傳熱技術

3.1 表面處理

常見的表面處理形式有兩種：一種是對表面粗糙度進行小幅度調整，另一種是設置表面涂層（可以是連續的，也可以是不連續的）。另外，還可以借助以燒結為代表的一系列傳熱表面處理方式，形成多孔狀或者鋸齒狀表面，常見的如開槽、碾壓以及多孔涂層等。通過該方式得到的表面粗糙度無法滿足單相流體傳熱的實際需要，因而大多用于以下兩種傳熱的強化，一是強化沸騰傳熱，二是強化冷凝傳熱[3]。

3.2 擾流裝置

將擾流裝置安裝在流道中的適宜位置，可實現對近壁區流體流動的有效調整，以一種間接方式強化傳熱表面所擁有的能量傳輸能力，常見于強制對流。對于管內插入物，相當一部分是此類擾流裝置，不僅有金屬柵網，還有靜態混合器，除此之外，還有不同類型的環、盤以及球等元件。

3.3 漩渦流裝置

包括若干種不同類型的幾何布置，常見的如內置式漩渦發生器等。這一類裝置能夠延長流道長度，形成旋轉流動，大幅提升流體發生徑向混合的程度，使流體速度和溫度各自的分布擁有更為理想的均勻性，從而達成強化傳熱的目的，在強化對層流換熱方面表現出了相當理想的效果。

4 換熱器強化傳熱技術的發展方向

4.1 管程

強化傳熱技術正處于迅猛發展之中，異形強化傳熱管引起了業界關注，其研發工作現正在如火如荼地進行。傳統異形管表現出諸多不足，如加工難度系數大、生產成本大、需要借助復雜的加工裝置。因此，有必要優化高效換熱管的研發技術，或者設計出更為理想的新型高效換熱管，在降低其結構復雜程度的同時，削減其制造、使用成本，這是普及此類換熱管的一個基本前提，也是換熱器的未來發展方向之一。

4.2 納米傳熱介質

相關研究指出，納米流體擁有非常理想的傳熱功能，以不足5%的體積比于水中摻加CUO納米粒子制作而成的納米流體，其導熱系數竟然比水增加了60%左右[4]。對于納米流體，其導熱系數取決于四大因素：因素一，非限域傳遞的影響；因素二，布朗運動的影響；因素三，液膜層的影響；因素四，顆粒聚集的影響。

換熱器內若使用納米介質進行換熱，那么將會明顯提升傳熱效率，正因如此，與之有關的不同類型的換熱器將不斷問世，并在節能降耗、削減成本方面發揮積極作用。

5 結語

在能源危機日益加劇的今天，應繼續加大對換熱器強化傳熱技術的研究，完善既有的強化傳熱技術，同時開發新的強化傳熱技術，從而幫助企業獲得更為理想的經濟效益和社會效益。

[1]劉雪梅,崔永志,陳軍.管殼式換熱器的強化傳熱技術及展望[J].紡織機械,2012,01:16-20.

[2]齊洪洋,高磊,張瑩瑩,周辰琳.管殼式換熱器強化傳熱技術概述[J].壓力容器,2012,07:73-78.

[3]林宗虎.管式換熱器中的單相流體強化傳熱技術[J].自然雜志,2013,05:313-319.

[4]張震,丁玉梅,閻華,關昌峰,楊衛民.換熱器強化傳熱技術——轉子內插件的實驗[J].化工進展,2011,S1:651-654.