對流傳熱強化方式簡述

趙華融

摘要：在現在化工、動力、食品、制藥、機械及其他許多工業部門中，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。熱對流指流體發生宏觀移動時伴隨流體質量遷移發生的熱量傳遞。工業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。工業中常用的介質，如空氣、煙氣、油類等許多化工流體，它們的表面傳熱系數往往很低。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工業中的技術改造，都對強化傳熱提出新的、更高的要求。熱量從一側高溫流體經過某一壁面傳遞給另一側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，W/（m.m.K）

A：換熱面積，M2

[T] ：對數平均溫差，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，因為這違背節能增效原則。對數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。故可以強化的參數就是總傳熱系數。總傳熱系數，歸根結底由總熱阻決定，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，選傳熱系數大的材料，且結構上要防止污垢產生或易于清理。因為選材還牽涉到與介質的互溶性及結構強度要求，選擇性不多。對流傳熱熱阻的主要因素有：（1）介質的物性參數：包含密度、黏度、導熱系數、比熱容、體積膨脹系數;（2）流體的流動狀態;（3）流體的溫度;（4）流體對流類型。由于介質的物性參數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。（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，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。根據需要，可以單面或雙面進行表面粗糙化，如圖一。根據筆者實際測試結果，適當幾何參數的螺紋管的總傳熱系數比光管高20%～30%;螺紋的深淺、形狀、密度（單位長度齒數）都對傳熱系數有影響。筆者也曾通過不同樣式來測試結果，后面再綜合考慮把一種定位標準化產品樣式。（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。氣體的傳熱系數一般比較低，加肋是提高總換熱系數很有效的方法。

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，比如導熱系數和比熱容，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。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，只要經濟上合理，機理上不矛盾。

3. 一側流體的傳熱強化不應該對另一側造成不利的影響。

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學解析得到結果，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。

結語：在換熱器的設計生產過程中，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，進行合理開發設計方案和計算，以提高效能。

參考文獻

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