文 献 综 述

换热器强化传热技术的研究进展

0引言

近年来，换热器在化工、制药、石油以、食品加工等过程工业中得到了广泛的应用，在国内外能源危机越来越严重的今天，现代化的新工艺、新材料、新技术的发展是必然的发展趋势^[1]。像强化传热技术这些节能新技术为能源的开发和高效利用发挥了重要的作用，换热器是在众多行业中使用广泛的单元设备，与国外发达国家相比，我国新型换热器的技术研发比较落后，因此，怎样将强工艺技术的研究，提高我国换热器技术水平是一个值得思考的问题。

上个世纪七八十年代的世界性能源危机的出现，为传热强化技术的发展起了重要的促进作用。多年来，高效换热器的研究与开发一直是大家关注的领域，在经济飞速发展的今天，环境与能源的问题越来越严重，在换热器向大型化发展的同时，也逐渐向低温差设计和低压损失设计方向发展，新型高效换热器的研究与开发已然成为国内外越来越关注的问题。

1. 研究意义

在” 十二五”规划中，国家提出了对节能减排的战略方针，通过对”十二五”规划的研究我们可以发现，节能减排的途径主要分为两种。^[2]第一种是要优化产业结构，慢慢放弃现有的产能较为落后的产业，同时还要进行改造传统产业，减少传统企业的能源消耗。^[3]第二种就是快速发展新型的节能减排技术。而高效换热器属于新型节能减排技术，在当今生活中具有比较广泛的应用。就目前的情况来看，管壳式换热器主要是应用于石油、冶金、制药等行业中。管壳式换热器的出现不但极大地提高了这些行业能源利用的效率，而且还极大地减少了这些行业排放的废弃物。^[4]就现在的情况来讲，强化传热技术主要分为两种，一种是主动技术，这种技术的应用需要有外部动力的支持。另外一种就是被动技术，被动技术则不需要借助额外动力，主要有表面延伸，表面处理等。我们当下使用的最多的是被动技术，而且受到了社会各界广泛的关注与重视，并且得到了深入的研究。现阶段，虽然在正在进行主动技术的研究，但是暂时还没法将其全面应用于实践当中。^[5]强化传热技术的广泛应用不仅仅促进了工业的快速发展，而且还为企业贡献了极大的经济效益。

2 换热器强化传热技术

换热器的强化传热就是借助改变影响传热过程的各种因素以使换热器在单位时间内,单位传热面积上传递最大的热量。^[6]强化传热的主要研究方向是提高热量传递过程的速率, 以求达到用最经济的设备(成本低、重量小、体积小)来完成规定传递的热量或在设备规模相同的情况下能更快更多地传递热量,用最高的热效率来实现能源的合理利用。

强化传热技术包括被动式强化技术(亦称为无功技术或无源强化技术)和主动式强化技术(亦称为有功技术或有源强化技术)。^[7]第一种是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术; 第二种是指需要加入额外动力以达到强化传热目的的技术。^[8]

2.1被动式强化传热技术

2.1.1 处理表面 包含对表面进行不连续或连续的涂层与对表面粗糙度的小尺度改变。可通过机械加工、电化学腐蚀与烧结等方法将传热表面处理成锯齿形表面或者多孔表面, 如模压、碾压、滚花、多孔涂层、疏水涂层、轧制以及开槽等。这样处理表面的粗糙度不能达到影响单相流体传热的高度 ,一般用于强化冷凝传热与沸腾传热。

2.1.2 粗糙表面 这种方法现在已经发展成许多构形,它包括从随机的砂粒型粗糙表面到带有离散突起物(即粗糙元)的粗糙表面。在一般情况下,粗糙表面可通过机械加工、轧制与电化学腐蚀等方法来形成。粗糙表面热阻的降低主要由通过促进近壁区流体的湍流强度以及阻隔边界层连续发展减小层流底层的厚度来实现, 而强化传热的实现不能单单依靠增大传热面积, 主要是为了加大单相流体的传热,此外，该方法对沸腾和冷凝过程也有一定的强化作用。基于粗糙表面技术开发出的多种异形强化传热管，在现代工业生产等领域得到了广泛的应用, 其中包含: 螺旋槽管、横纹槽管、涡流管、缩放管、波纹管、针翅管、强化沸腾传热的高效沸腾传热管、强化冷凝传热的锯齿形翅片管与花瓣形翅片管以及螺旋扭曲管等^[9]。

2.1.3 扩展表面 这种方法已经在许多换热器中被广泛使用。像翅片管等非传统的扩展表面的发展使极大的改善了传热系数。它的强化传热的机理主要为此类扩展表面重塑了初始的热交换面, 不仅扩大了传热面积,而且使其边界层的连续发展中断,加强了扰动程度, 提高了传热系数, 从而能够强化热传递,对层流换热和湍流换热都有显著的效果。^{[5 10 11]}因此，扩展表面法被各国越来越广泛的应用于生产当中, 不仅用于改良传统的管壳式换热器的管子结构, 而且紧凑式换热器中也得到了越来越广泛的应用。现在已开发出了许多不同形式的扩展表面, 如管外翅片和管内翅片(包含很多种结构形状,比如波纹形翅片、齿轮形翅片、椭圆形翅片以及平直翅片等)、太阳棒管 、波型翅多孔型、销锭型、低翅片管、叉列短肋、百叶窗翅和开孔百叶窗翅(多用于紧凑式换热器中)等。

2.1.4 扰流装置 通过在流道内放置扰流装置来改变近壁区的流体流动，从而间接使传热表面处的能量传输得到增强，,这种方法主要应用于强制对流。^{[8 10 12]}有许多管内插入物都属于这种扰流装置，例如金属栅网、静态混合器及各式的环、盘或者球等元件。^[13]

2.1.5 漩涡流装置 这种装置包括许多不同的几何布置或者管内插入物，比如纽带插入物、内置漩涡发生器与带有螺旋形线圈的轴向芯体插入物。^{[8 14]}这类装置可以增加流道长度并且能够产生旋转流动或(与)二次流，从而能提高流体的径向混合，使得流体速度分布和温度分布比较均匀，进而能够强化热传递，主要应用于加强强制对流热传递，尤其是对层流换热的强化效果最为明显。^{[15 ]}

2.1.6 螺旋盘管 这种应用可以使得换热器显得更加紧凑。它所产生的二次流可以提升单相流体传热的传热系数，而且能够加强沸腾传热。^{[14 15]}

2.1.7 表面张力装置 包括应用相对来讲较厚的芯吸材料或者开槽表面来对流体的流动进行引导，在沸腾和冷凝传热中应用较多。^[14]在没有芯吸材料冷却介质就不能到达受热表面的情形中常会用到芯吸作用，比如常见的热管换热器；而且还非常适用于强化水中表面的沸腾热传递。^[16]

2.1.8 添加物 包括应用于气体体系的添加剂与应用于液体体系的添加剂。气体中的添加剂包括固体颗粒与液滴，可用于密相(流化床)或者稀相(气固悬浮液)；而对于液体中的添加剂，它包含气泡和用于沸腾系统的微量液体和用于单相流的固体颗粒和气泡。

2.1.9 壳程强化 壳程传热的强化主要有两个方面：一个是在管外加翅片或者改变管子外形，即通过改造管子的表面性质或者形状实现强化传热；二是通过壳程挡板或管间支撑物的形式的改变, 尽可能消除壳程流动与传热当中的滞留死区，尽可能的减少最好消除横流成分，增强或完全变为纵向流^{[10 11 17]}。传统意义的管壳式换热器，通常采用的是单弓形折流板, 但是其拥有阻力大、死角多、易诱发流体诱导振动等弊端，这些弊端会严重影响热交换器的换热效率，对工业的生产和应用产生了非常大的影响。^[18]据此 ,近年来技术人员研究出了很多新形式的壳程支撑结构, 有效的弥补了单弓形折流板支撑物的缺陷，比如螺旋形折流板、三弓形折流板、双弓形折流板、整圆形折流板(包括梅花孔、小圆孔、矩形孔、大管孔与网状整圆形折流板)窗口不排管^{[7 10]}、空心环式、折流杆式、波网支撑、管子自支撑(变截面管式、螺旋扁管式与包含刺孔膜片式)、扭曲管和混合管束热交换器式以及德国的GRM.MA公司生产的纵流管束热交换器^{[9 13]}等。

2.2主动式强化传热技术

2.2.1 机械搅动 包括机械搅动流体、旋转传热表面和表面磨削。具有旋转的热交换器管道的装置目前已用于商业应用。^[19]表面磨削已经在化学过程工业中广泛用于处理大量黏性流体，比如高黏度的塑料与气体的流动，刮面式换热器是其典型代表，现已在食品工业中得到广泛的应用^{[9 12 13 17]}。

2.2.2 表面振动 表面振动分为高频与低频振动，但不管是高频率亦或是低频率振动，都主要用于增强单相流体传热。它的原理是振动使得流体的扰动得以加强，从而使热传递得到强化。^{[17 20]}即使振动可以大大加强换热器的热传递，但是促使激发所需要的外部能量较大。^{[9 15 21]}所以,山东大学研究表明，可利用流体的流动来促使振动以强化传热，使用水的流动促使传热元件振动，需要的能量比较少。^[22]利用液体的流动促使振动提高传热既能增大对流传热系数，同时又能减小污垢热阻 ,便达到了所谓的复合式强化传热^{[9 12]}。

2.2.3 流体振动 一般情况下，换热设备的质量都比较重，很难在实际当中应用表面振动，然后技术人员就提出了一种流体振动的方法，这种方法是振动强化中最实用的一种类型。^{[22 23]}这种方法所使用的振荡发生器，从扰流器到压电转换器的振动大小有一定的范围，振动范围是从脉动的 1 H z 至超声波的 106 H z。这种方法在单相流体的强化传热中应用较多。^[9]

2.2.4 静电场 如何将静电场作用到介电流体，这有许多各不一样的方法。总的来讲, 穿热表面处流动的液体会使静电场产生比较大的主体混合，从而使强化热传递。还可以经过静电场与磁场的结合来形成强制对流。^[24]一定条件下，足够大的静电场加到静止的流体当中，会产生电晕风，从而加强单向流体的热传递。比如日本的M i z u s h i n a 多年来对以空气为工质环形通道内电晕风对强制对流的影响研究了多年，并最终得到了存在电晕风时的努塞尔准数及阻力系数和雷诺数的关系曲线及经验公式^{[9 13]}。

2.2.5 喷射 包括从孔比较多的传热表面向流动液体中喷射气体,或者向上面的传热部分注射类似的流体。

2.2.6 抽吸 包括在核态沸腾或者膜态沸腾中，拥有较多孔的的受热表面会带走蒸气以及在单相流中通过受热表面排出的液体。有研究表明，抽吸可以极大地提高层流流动与湍流流动的换热系数, 其中能极大的增强湍流对流换热的结论，已经被A g g a r w a l等^[14]专家证实 。

3 总结

因为换热设备在工业生产中有着广泛的应用，不能切占据着重要的地位，所以如何在换热传热当中实现能源的节约对于节能减排有着重要的意义。在这种需求下，各种强化传热技术的研究与开发得到了大力的发展。 ^{[3 12 15]}但是，换热器应用于各种各样的场合，各个场合对于换热器的要求也不尽相同，例如有的场合注重降低换热器的能耗，有的场合注重换热器的换热能力，亦或是专注于换热器的换热温差，换热设备的质量与材质消耗的降低等等。所以对于多种强化传热技术，应该根据所要达成的目标和达成的任务并且综合分析考虑设备的换热要求与经济、环境等各种实际因素，选取最为适合并行之有效的热传递强化方法。

另外，除了对传统的管壳式换热器进行各种强化措施来提高换热能力外，还有另一种意义上的强化，即研发新型高效换热器。现在，已经出现了很多这样的换热器，比如块式换热器、板式换热器、板翅式换热器、变形翅片管换热器、热管换热器、不结垢换热器、石墨换热器、碳化硅换热器、麻花扁管换热器和P A C K I N O X板壳式换热器等等。^[25]

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

1.研究问题

本课题要求在查阅大量文献资料基础上，掌握GB150-2011《压力容器》及GB/T151-2014《热交换器》，对换热器结构进行设计。

2.课题的主要工作

第1部分：准备工作

查阅相关文献资料了解换热器的基本原理、性质及应用。在化学工业等各行业生产中的地位和作用、换热器应用的现状和发展趋势、设计的理论基础、技术路线及其设计标准。

第2部分：工艺计算

换热器的结构与类型、操作条件的选择和操作方式的选择。热量衡算、传热膜系数的确定、传热面积的确定、压力降计算。

第3部分：主要受压元件强度计算

换热器壳体、管箱短节、封头厚度确定，容器法兰、螺栓、垫片的校核计算，管板厚度的计算，开孔补强计算。

第4部分：计算机绘图及说明书的编写

利用Auto CAD 软件绘制出换热器设备的装配图及各个零件图，并编写说明书。