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1、全国化工热工设计技术中心站2004年年会论文集强化传热技术进展华中科技大学能源与动力工程学院 黄素逸 一 概述只要存在着温度差，热量就会自发地由高温传向低温，因此热传递过程是自然界中基本的物理过程之一。它广泛见诸如动力、化工、冶金、航天、空调、制冷、机械、轻纺、建筑等部门。大至单机功率为130万千瓦的汽轮发电机组，小至微电子器件的冷却都与传热过程密切相关。热传递过程可以分为导热、对流换热和辐射换热等三种基本方式，它们各自有不同的传热规律，实际中遇到的传热问题都常常是几种传热方式同时起作用。实现热量由冷流体传给热流体的设备就称之为换热器。它是上述工业部门广泛应用的一种通用设备，以电厂为例，如果把
2、锅炉也看作换热设备，则再加上冷凝器，除氧器，高、低压加热器等换热设备，换热器的投资约占整个电厂投资的70%。在炼油企业中四分之一的设备投资用于各种各样的换热器；换热器的重量占设备总重量的20%，在制冷设备中蒸发器、冷凝器的重量也要占整个机组重量的30%40%。由于换热器在工业部门中的重要性，因此从节能的角度出发，为了进一步减小换热器的体积，减轻重量和金属消耗，减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，必须用各种办法来增强换热器内的传热。因此最近十几年来，强化传热技术受到了工业界的广泛重视，得到了十分迅速的发展，并且取得了显著的经济效果。如美国通用油品公司将该公司电厂汽轮机冷凝器中采
3、用的普通铜管用单头螺旋槽管代替，由于螺旋槽管强化传热的效果，使冷凝器的管子长度减少了44%，数目减少了15%，重量减轻了27%，总传热面积节约30%，投资节省了10万美元。又如用我们研制的椭圆矩形翅片管代替圆形翅片管制作的空冷器，其传热系数可以提高30%，而空气侧的流动阻力可以降低50%。这种空冷器已在我国石化行业和火电厂得到广泛应用，取得了明显的经济效益。二 强化传热的原则从传热学中我们知道换热器中的传热量可用下式计算，即Q=kFT （1）式中，k-传热系数W/(m2K)，F-传热面积m2, T-冷热液体的平均温差K,从上式可以看出，欲增加传热量Q，可用增加k、F或T来实现。下面我们对此分别
4、加以讨论。1. 增加冷热液体的平均温差T在换热器中冷热液体的流动方式有四种，即顺流、逆流、交叉流、混合流。在冷热流体进出口温度相同时，逆流的平均温差T最大，顺流时T最小，因此为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的布置。当然可以用增加冷热流体进出口温度的差别来增加T。比如某一设备采用水冷却时传热量达不到要求，则可采用氟里昂来进行冷却，这时平均温差T就会显著增加。但是在一般的工业设备中，冷热流体的种类和温度的选择常常受到生产工艺过程的限制，不能随意变动；而且这里还存在一个经济性的问题，如许多工业部门经常采用饱和水蒸气作加热工质，当压力为15.86105Pa时，相应的饱和温度为437K，若为了增
5、加T，采用更高温度的饱和水蒸气，则其饱和压力亦相应提高，此时饱和温度每增高2.5K，相应压力就要上升105Pa。压力增加后换热器设备的壁厚必须增加，从而使设备庞大，笨重，金属消耗量大大增加，虽然可采用矿物油，联苯等作为加热工质，但选择的余地并不大。综上所述，用增加平均温差T的办法来增加传热只能适用于个别情况。 2. 扩大换热面积F扩大换热面积是常用的一种增强换热量的有效方法，如采用小管径。管径越小，耐压越高，而且在金属重量相同的情况下，表面积也越大。采用各种形状的肋片管来增加传热面积其效果就更佳了。这里应特别注意的是肋片（扩展表面）要加在换热系数小的一侧，否则会达不到增强传热的效果。一些新型的
6、紧凑式换热器，如板式和板翅式换热器，同管壳式换热器相比，在单位体积内可布置的换热面积多得多。如管壳式换热器在1m3体积内仅能布置换热面积150m2左右。而在板式换热器中则可达1500 m2，板翅式换热器中更可达5000 m2，因此在后两种换热器中其传热量要大得多。这就是它们在制冷、石油、化工、航天等部门得以广泛应用的原因。当然紧凑式的板式结构对高温、高压工况就不宜应用。对于高温、高压工况一般都采用简单的扩展表面，如普通肋片管、销钉管、鳍片管，虽然它们扩展的程度不如板式结构高，但效果仍然是显著的。采用扩展表面后，如果几何参数选择合适还可同时提高换热器的传热系数，这样增强传热的效果就更好了。值得注
7、意的是，采用扩展面常会使流动阻力增加，金属消耗增加，因此在应用时应进行技术经济比较。3. 提高传热系数k提高传热系数k是强化传热的最重要的的途径，且在换热面积和平均温差给定时，是增加换热量的唯一途径。当管壁较薄时从传热学中我们知道，传热系数k可用下式计算： （2）式中，1热液体和管壁之间的对流换热系数，2冷流体和管壁之间的对流换热系数，管壁的厚度，管壁的导热系数。一般讲金属壁很薄，导热系数很大，/可以忽略。因此传热系数k可以近似写成：k=12/（1+2）。由此可知欲增加k，就必须增加1和2，但当1和2相差较大时，增加它们之中较小的一个最有效。要想增加对流换热系数，就需根据对流换热的特点，采用不
8、同的强化方法。我国学者过增元院士在研究对流换热强化时，提出了著名的场协同理论。该理论指出要获得高的对流换热系数的主要途径有：1）提高流体速度场和温度场的均匀性；2）改变速度矢量和热流矢量的夹角，使两矢量的方向尽量一致；根据上述理论，目前强化传热技术有两类：一类是耗功强化传热技术，一类是无功强化传热技术。前者需要应用外部能量来达到强化传热的目的，如机械搅拌法、振动法、静电场法等。后者不需外部能量，如表面特殊处理法、粗糙表面法、强化元件法、添加剂法等。由于强化传热的方法很多，因此在应用强化传热技术时，我们应遵循以下原则：1）首先应根据工程上的要求，确定强化传热的目的，如减小换热器的体积和重量；提高
9、现有换热器的换热量；减少换热器的阻力，以降低换热器的动力消耗等。因为目的不同，采用的方法也不同，与此同时确定技术上的具体要求。2）根据各种强化方法的特点和上述要求，确定应采用哪一类的强化手段。3）对拟采用的强化方法从制造工艺，安全运行，维修方便和技术经济性等方面进行具体比较和计算，最后选定强化的具体技术措施。只有按上述步骤才能使强化传热达到最佳的经济效益。三 单向介质管内对流换热的强化1 流体旋转法强化单向介质管内对流换热的有效方法之一是使流体在管内产生旋转运动，这时靠壁面的流体速度增加，加强了边界层内流体的搅动。同时由于流体旋转，使整个流动结构发生变化，边界层内的流体和主流流体得以更好的混合
10、。以上这些因素都使换热的到了强化。使流体旋转的方法很多，在工艺上可行的有以下几种：（1）管内插入物使流体旋转最简单的方法是管内插入各种可使流体旋转的插入物。如扭带、静态混合器、螺旋片等。a. 扭带扭带是一种最简单而又使流体旋转的旋流发生器。它是由薄金属片（通常是铝片）扭转而成。扭带的扭转程度由每扭转3600的长度H（称为全节距）与管子内径d之比来表征。H/d称之为扭率。扭率不同强化传热的效果也不同，试验表明，扭率为5左右效果最好。 b. 错开扭带错开扭带是将扭带剪成扭转180的短元件，互相错开90再点焊而成。c. 静态混合器由一系列左、右扭转180的短元件，按照一个左旋、一个右旋的排列顺序，互
11、相错开900再点焊而成。d. 螺旋片由宽度一定的薄金属片在预先车制出的有一定深度和一定节距的螺旋槽的心轴上绕成。e. 径向混合器用薄金属片冲压成具有一个圆锥形收缩环和一个圆锥形扩张环的元件，在环上开许多小孔，然后将这些元件按一定间距点焊在一根金属丝上，插入管内就成为一个径向混合器。f. 金属螺旋线圈用细金属丝绕制成三叶或四叶的螺旋线圈，插入管内，即可使流体旋转。除上述常用的插入物外，还有其它一些形状的插入物。管内插入上述插入物后，由于流体的旋转，使管内流体由层流向湍流过渡的临界雷诺数Re降低，强化了管内换热。当然由于流体的旋转，流动阻力也会相应增加。实验研究证明，在低Re数区采用插入物比高Re
12、数区强化传热的效果更加显著，这说明层流时采用插入物是很有效的。等功率和等流量的试验研究表明，各种插入物的强化效果在层流区都随Re的增加而增加。在相当于光管由层流向湍流过渡的临界Re时达到最大值，然后又随Re的增加而减小。在Re=50010000的范围内，在相同的流量下，静态混合器可获得较强的传热效果。因此当系统压降有裕量的情况下，为强化传热可优先采用静态混合器。在要求消耗功率一定的情况下，则可选用螺旋片和扭带，此时螺旋片还有节约材料的优点。许多研究者提供了管内加插入物后计算流动阻力和传热的公式，这些公式大多是以实验研究为基础的。在选用这些公式时应注意这些公式的应用条件和范围。同时值得注意的是，
13、采用管内插入物后传热增加了，但流动阻力也随之增加，因此通常在计算强化传热的同时，还应进行流动阻力的核算和经济性的比较，才能获得满意的结果。（2）螺旋槽管和螺旋内肋管管内插入物的方法，其结构不够牢靠，制造安装工作量大，一般宜在增强现有换热设备的传热能力上采用。对新设计制造的换热设备，可以采用螺旋槽管或螺旋内肋管来使流体旋转。螺旋槽管可以用普通圆管滚压加工而成，它有单头和多头之分。螺旋槽管的作用也是引起流体旋转，使边界层厚度减薄并在边界层内产生扰动，从而使传热增强。研究表明，在相同的Re及槽距、槽深的情况下，单头螺旋和三头螺旋相比，强化传热的效果差别不大，但流动阻力却减小很多，因此实际上多采用单头
14、螺旋槽管。采用螺旋内肋管，一方面可使流体旋转，另一方面内肋片又加大了管内换热面积，有利于增强传热或降低壁温。虽然其加工比较复杂，但仍是一种理想的强化传热管。2. 改变流道截面形状1）层流工况和过渡工况流动截面形状对换热和阻力有很大的影响，特别是对层流工况而言。试验证明，当管道长度较长及雷诺数Re较小时，换热的Nu数实际上与雷诺数Re数无关。表1列出了各种不同截面的流道中最小的Nu数及阻力系数的值。表1 层流时不同截面形状的Nu数管道截面形状热流恒定时的Nu壁温恒定时的NuRe等腰三角形 204060801001202.72.953.02.952.82.72.72.72.72.72.72.751
15、.55353.352.75251圆 形4.363.6664矩形 a/b=1a/b=0.7a/b=0.5a/b=0.3a/b=0.1a/b=03.633.84.14.96.88.242.893.03.34.36.17.5456.85862708596从表1中可以看出，合适高度比的矩形截面的换热比三角形截面和圆形截面要高得多，以锅炉中的回转式空气预热器为例，由波纹板和平板可组成不同形状的流道，如三角形和近似矩形。计算表明在传递相同的热量时，三角形流道将比矩形流道的换热器长18%，而流动阻力矩形流道比三角形流道要低30%。对一般圆管和矩形截面而言，在管道中温度条件相同时，采用矩形管道也能增加换热系数，但与此同时流动阻力会急剧增加。在由层流向湍流过渡的过渡区中管道截面形状对换热也有较大的影响。例如在具有槽形截面通道的板式换热器中改用波纹板可以显著提高换热系数。2）湍流工况a. 横槽纹管湍流工况时为改变管子的流道
