(完整word版)强化传热技术
化工设备 强化传热
传热的技术。主要包括：涂层表面、粗糙表面、扩展表面、扰动元件、
涡流发生器、射流冲击、螺旋管以及添加物等手段。
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二、扩面强化管技术
1）扩展表面强化管技术：扩大传热管内外有效的传热面积。 2）基本特点：将传热管的内外表面轧制成不同的表面形状 , 使管内外 流体同时产生端流以提高传热效率。 （一）螺旋槽纹管
2）扩大冷、热流体进出口温度的差别以增大平均传热温差。此法受生 产工艺限制，不能随意变动，只能在有限范围内采用。
传热强化渠道之二:增大换热面积
1）采用小直径换热管；——在同样金属重量下总表面积增大； 2）改进传热面结构，设法提高单位容积内设备的传热面积，即：扩展 表面换热面，既增加换热面积，又提高传热系数。
增加平均传热温差 传热强化渠道
扩大换热面积 提高传热系数
3
传热强化渠道之一:增大平均传热温差
平均传热温差 t m 是传热过程的推动力，由冷、热流体最大无相变温差 决定，但一般生产工艺中已经确定。 1）当冷流体和热流体进出口温度一定时，利用不同的换热面布置来改 变平均传热温差；——逆流；多股流动换热。
（三）异形截面管 （二）缩放管
a b
6
元件是管式换热器强化 管程单相流体传热的有效措施之一，尤其是强化气体、低雷诺 数或高黏度流体传热更为有效。
四、折流栅代替折流板技术
以折流栅代替折流板的管壳式换热器又称折流杆换热器。
2
3
1
作用—管束支撑结构 特点—减轻折流板对换热管的剪切破坏和流体诱导 振动；避免折流板导致的传热死区，减小流 体阻力，提高传热效率。
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传热强化渠道之三:提高传热系数
提高传热系数的方法
当前研究传热强化的重点
主动强化（有源强化）
强化传热技术
强化传热技术研究进展1概述由于生产和科学技术发展的需要，强化传热技术从上世纪80年代以来获得了广泛的重视和发展。
首先，随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。
世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。
设计和制造各类高性能换热设备是经济地开发和利用能源的最重要手段，这对于动力、冶金、石油、化工、制冷及食品等工业部门有着极为重要的意义。
其次，随着航空、航天及核聚变等高顶尖技术的发展，各种设备的运行时的温度也不断升高为了保证各设备有足够长的工作寿命及在高温下安全运行，必须可靠经济的解决高温设备的冷却问题。
最后，随着计算机的迅速发展，密集布置的大功率电子元件在电子设备中的释能密度日益增加。
电子元件的有效冷却，是电子设备性能和工作寿命的必要保证。
正是基于以上原因促使人们对强化换热进行了极为广泛的研究和探讨，力图从理论上解释各种强化传热技术的机理，从大量的实验资料中总结其规律性，以便在工业上加以推广应用，并发现新的更为经济实用的强化传热技术，因此近40年来在世界各国强化传热技术如雨后春笋般不断涌现出来。
20世纪80年代以来，我国经济发展迅速而能源生产的发展相对要滞后得多。
面对改革开放带来的经济高速发展态势，能源供应难以满足迅速增长的需求，节能成为关系到能否可持续发展的重大问题，近年来我国也在节能领域取得了显著的成绩。
1980年到2000年中国经济年平均增长9.7% 而能源消耗的年增长仅为4.6% 节能降耗年平均达5%。
“九五”期间我国每万元国内生产总值GDP能耗1990年价由1995年的3.97吨标准煤下降到2000年的2.77 吨标准煤累计节约和少用能源达4.1亿吨标准煤；主要耗能产品单位能耗均有不同程度下降。
按“九五”期间直接节能量计算节约的能源价值约660亿元；节约和少用能源相当于减排二氧化硫820万吨二氧化碳计1.8亿吨。
当前中国在能源利用效率、能耗等方面与世界先进国家相比还存在较大差距，能源节约还有很大的潜力。
(完整版)强化传热技术及应用
导热及其强化
• 导热现象发生时，物体内部的热量会从 温度较高的部分传递到温度较低的部分， 温度较高的物体会把热量传递给与之接 触的温度较低的另一物体。
• 固体、液体、气体内部或之间都可能发 生导热现象。
导热及其强化
• 傅里叶定律
A dt
dx
• 面积热阻 x
t
(x / A)
导热及其强化
• 电子产品散热：导热（+电绝缘）。导热胶粘剂，特别 适合于不规则形状界面。
导热及其强化
导热及其强化
导热及其强化
导热及其强化
导热及其强化
小结
• 1）减少导热热阻：使用导热系数较高的材料 作为导热介质。如纯银、纯铜、纯铝等。
• 2）减少接触热阻：.a. 提高接触表面光洁度 或增加物体间的接触压力，以增加接触面积； b.在接触面之间充填导热系数较高的气体（如 氦气）；c.在接触表面上用电化学方法添加软 金属涂层或加软金属垫片。
• 3）导热胶粘剂的应用。
辐射换热及其强化
辐射换热： • 0K以上物体都具有发射辐射能的能力； • 波长由短到长依次分为γ射线，Χ射线，紫外线，
可见光，红外线，无线电波； • 同温下黑体的辐射能力最大。
辐射换热及其强化
太阳辐射：
• 组成银河系的有大约两千亿颗恒星，而 太阳只是其中中等大小的一颗；
导热及其强化
• 作为涂层或衬垫用的材料应该具有较低的硬度、 适当的熔点、及较高的导热系数。
• 垫片硬度必须低于基体材料。
• 垫片厚度应该与表面粗糙元高度相当，最好不 要超过粗糙元高度均方根值的两倍。
导热及其强化
• 涂层或衬垫材料的物理特性
导热及其强化
• 铜和铝的导热性能良好，并且价格便宜， 在温度不很高的情况下可用作垫片或涂 层材料。
强化传热原理
（4）横向绕流圆管
（5）横向绕流管束 顺列和叉列
第三章 管内单相流体对流换热的 强化
一、单相流体管内对流换热概述
影响因素: 自然对流、强制对流 层流、紊流、过度区域（流动雷诺数） 入口段、稳定段
– 管内换热强化的方法
原则上分两大类： 第一类为增加管子内侧的换热面积； 第二类是使管内换热系数提高。
例如采用每台换热器全年的费用
六、传热研究方法
理论分析求解
经典方法，求解微分方程组及定解条件，只能解决简 单问题
数值求解
利用数值分析和计算机，可解决较复杂问题，近些年发展迅速， 但紊流模型不够完善。
实验求解
传统方法，可解决复杂问题，可分为直接实验和模型实验。实 验范围和结果适用条件受限
第二章 强化对流换热理论基础
1、对流换热的理 论基础
（1）边界层概念
速度边界层厚度δ和 温度边界层厚度Δ之 间的关系，取决于流 体普朗特数Pr的数值。 当Pr>1时，Δ＜δ；当 Pr＜1时，Δ＞δ
（2）流体流过平壁
当Re的数值达到3．5×1O5时，层流边界层开始向 湍流边界层转变．临界雷诺数的数值还取决于流动 工况、流经物体的几何状况和来流的湍流度．层流
的流动工况，使换热明显提高。
强化换热的特点：
管内翅片对管内层流和紊流均能起到强化作用； 肋片系数越大，强化传热效应均增加； 螺旋翅片的强化效果要好于直肋片； 内翅片管的强化传热效应随Re的增加而减弱； 将肋片开槽，做成分段翅片、弯曲翅片等可进一 步强化翅片的传热。
使用场合：
内翅片管主要适用于管内对流换热系数 相对较小，流体流动雷诺数较小时的场 合，它不适合于流体易阻塞，易结垢的 场合。
强化传热的措施
被动强化传热技术
扩展表面：通过增加传热表面的面积，如使用肋 片、鳍片或散热片等，以增加传热效果。扩展表 面可以增加传热表面的有效面积，从而提高传热 效率。
相变材料：利用相变材料在相变过程中吸收和释 放大量潜热的特点，强化传热效果。相变材料可 以在恒温下实现热量的储存和释放，从而提高传 热系统的整体性能。
01
微型化与集成化
随着微电子技术的飞速发展， 传热设备将越来越微型化、集 成化。未来传热技术需要在更 小的空间内实现高效传热，为 微电子设备的散热提供解决方 案。
03
02
智能化传热技术
04
多场耦合传热研究
在实际工程应用中，传热过程 往往伴随着流动、电磁等多物 理场耦合作用。未来强化传热 研究将更加注重多场耦合作用 下的传热机理与性能优化。
改进传热介质
04
通过改进传热设备的结构设计 ，提高设备传热效率。例如， 采用更高效的传热元件、增加 传热面积、优化流体流动路径 等，以降低热阻，提高传热效 果。
采用高强度传热材 料
选择具有高导热系数的材料，如 铜、铝等，用于制造传热设备， 可以显著提高传热效率。同时， 研究新型高热导率材料，如石墨 烯等，有望为强化传热领域带来 革命性突破。
采用扩展表面
通过增加辐射体的表面积，如采 用肋片、鳍片等扩展表面，可以 增加辐射传热面积，从而提高辐 射传热效率。
多层辐射面
设计多层辐射面结构，使热量在 多层辐射面之间反复传递，增加 辐射传热的有效面积。
提高辐射率
选用高辐射率材料
选择具有高辐射率的材料作为辐射传热介质，如黑体辐射 材料，可以显著提高辐射传热效率。
随着强化传热技术的不断发展和应用，将 推动工业生产设备和技术不断升级，提高 产业整体竞争力和可持续发展水平。
强化传热技术简介
强化传热技术简介强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是采用强化传热元件，改进换热器结构，提高传热效率，从而使设备投资和运行费用最低，以达到生产的最优化。
发展早在18世纪初就提出让风吹过物体表面强化对流传热。
但该技术真正引起人们重视是在20世纪60年代后，由于生产和社会发展的需要，强化传热技术载30多年来得到了广泛的发展和应用。
迄今为止，强化传热技术在动力，核能，制冷，石油，化工乃至国防工业等领域中得到广泛应用，国内外公开发表的论文和研究报告超过6000篇，获得了数百项专利，已发展成为成熟的第二代传热技术。
能源存在形式：矿物核能，地热能，化石燃料的化学能，太阳辐射能，海洋温差能，潮汐能，生物能，江河水利能，风能等，能量实质上就是各种运动形式相互联结，作用，转化的唯一媒介和桥梁，而能量利用的本质则是人为的以自然发生的变化去促成人类所需要的变化。
能源不仅是人类社会生存与发展的最基本的物质基础，而且是发展社会生产力的基本条件。
由于多年来对能源进行了不适当的开发利用，自20世纪70年代初中东石油危机爆发以来，以能源为中心的环境，生态和社会经济问题日益加剧，世界各国从发认识到节能的重要意义，能源的合理利用已成为当今世界各国应如何良性发展工业的核心问题，各种节能技术如雨后春笋般竞相出现。
强化传热技术的分类强化传热技术分为被动式强化技术(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)。
前者是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术; 后者是指需要加入额外动力以达到强化传热目的的技术。
2.1被动式强化传热技2.1.1 处理表面包括对表面粗糙度的小尺度改变和对表面进行连续或不连续的涂层。
可通过烧结、机械加工和电化学腐蚀等方法将传热表面处理成多孔表面或锯齿形表面, 如开槽、模压、碾压、轧制、滚花、疏水涂层和多孔涂层等。
此种处理表面的粗糙度达不到影响单相流体传热的高度, 通常用于强化沸腾传热和冷凝传热。
6.5 强化传热
U T U T cos
Nux f (Rex, Pr,cos )
【注：参见思考题99】
第6章 6.5节（20）
5
管内充分发展的层流换热差，一个重要原因
是其夹角 几乎为90°。这时导热成为主要传
热方式，而对流的作用微弱。
速度与温度梯度剖面的饱满程度提高将导 致对流换热的 Nu 上升。
应用实例：交叉缩放椭圆管
图1. 网格划分
第6章 6.5节（20）
6
图2. 不同截面位置的速度矢量图
第6章 6.5节（20）
7
第6章 6.5节（20）
应用实例2：
Twisted tube bundle for a shell-and-tube exchanger.
Adapted from “Fundamental s of Heat Exchanger Design” by R K. Shah and D P. Sekulic, John Wiley & Sons Inc.
t,x 0
cp
u
t x
v
t y
dy
t y
w
qw
改写为矢量形式：
第6章 6.5节（20）
4
t,x c p
0
U T
dy
t y
w
qw
无因次化后得出
1
Rex Pr U T dY Nux
0
强化单相对流换热，除Re，Pr 之外还存在另一个因素， 即速度矢量与温度梯度矢量的夹角 ，即速度场与温
第6章 6.5节（20）
17
几种单相强化波节管
第6章 6.5节（20）
18
管内、管外强化管 及各种螺旋盘管
强化传热技术
辐射换热及其强化
• 光谱选择性辐射表面：某些光谱选择性辐射表面能够比较 完全地吸收来自高温物体短波长的辐射能，同时在自身较 低温度下（因而辐射波长较大）保持不高的发射率，所以 可获得较大的净辐射能。 • 通常，太阳能集热器采用价格便宜且容易获得的黑漆作为 辐射的吸收率和在集热器 传热管的涂层。但黑漆并非光谱选择性涂料，它对太阳能 壁面温度下的辐射率都很 高，可达０.９５。为了减 少集热器壁面的散热损失， 集热器外要加装一种廉价 的选择性材料－玻璃。
强化冷凝传热：减薄或消除冷凝液膜；疏 导冷凝液膜迅速流开壁面；减小冷凝传热热阻 等等。
冷凝传热强化
传热系数:珠状冷凝＞＞膜状冷凝
滴状冷凝:冷凝液不能润湿壁面，只能在壁面上形成液珠。 液珠长大后，受重力的作用不断地携带着沿途的其他液珠 沿壁面流下。与此同时，新的液珠又会在原来的途径上重 新复生。
实现滴状冷凝的途径有： 在金属表面涂上憎水基有 机化合物涂层；金属硫化 物涂层；贵金属涂层；高 分子聚合物涂层；往蒸汽 中注入不润湿性介质等。
电子产品散热：导热（+电绝缘）。导热胶粘剂，特别适合于不规则形状界 面。
对流换热及其强化
对流：由于流体的宏观运动，使流体各部 分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混， 从而引起的热量传递过程称为对流换热。 分为自然对流和强迫对流。
Nu 0.664 Re
Nu C Re Pr
n
1/ 2
辐射换热及其强化
• 利用辐射板增强高温通道内的传热。 • 例如在高温气冷管中插入一块沿轴向放置的高粗糙度烧结 板，烧结板接近黑体，几乎可以完全吸收来自高温管壁的 辐射能，使板温迅速升高，而且还由于它是粗糙壁面，对 流换热系数很高，即使 板面温度略低于管壁温 度，也能使高温壁面的 输热量增加一倍左右， 但压降将增加４倍左右
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1、强化传热的目的是什么？
（1）减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；（2）提高现有换热器的能力；（3）使换热器能在较低温差下工作；（4）减少换热器的阻力，以减少换热器的动力消耗。
2、采用什么方法解决传热技术的选用问题？
（1）在给定工质温度、热负荷以及总流动阻力的条件下，先用简明方法对拟采用的强化传热技术从使换热器尺寸大小、质轻的角度进行比较。
这一方法虽不全面，但分析表明，按此法进行比较得出的最佳强化传热技术一般在改变固定换热器三个主要性能参数（换热器尺寸、总阻力和热负荷）中的其他两个，再从第三个性能参数最佳角度进行比较时也是最好的。
（2）分析需要强化传热处的工质流动结构、热负荷分布特点以及温度场分布工况，以定出有效的强化传热技术，使流动阻力最小而传热系数最大。
（3）比较采用强化传热技术后的换热器制造工艺、安全运行工况以及经济性问题。
3、表面式换热器的强化传热途径有哪些？
（1）增大平均传热温差以强化传热；（2）增加换热面积以强化传热；（3）提高传热系数以强化传热。
4、何为有功和无功强化传热技术？包括哪些方法？
从提高传热系数的各种强化传热技术分，则可分为有功强化传热技术和无功强化传热技术两类。
前者也称主动强化传热技术、有源强化技术、后者也称为被动强化技术、无源强化技术。
有功强化传热技术需要应用外部能量来达到强化传热的目的；无功传热强化技术则无需应用外部能量即能达到强化传热的目的。
有功强化传热技术包括机械强化法、震动强化、静电场法和抽压法等；无功强化传热技术包括表面特殊处理法、粗糙表面法、扩展表面法、装设强化元件法、加入扰动流体法等。
5、单项流体管内强制对流换热时，层流和紊流的强化有何不同？
当流体做层流运动时，流体沿相互平行的流线分层流动，各层流体间互不掺混，垂直于流动方向上的热量传递只能依靠流体内部的导热进行，因而换热强度较低。
因此，对于强化层流流动的换热，应以改变流体的流动状态为主要手段。
当流体做湍流运动时，流体的传热方式有两种：在层流底层区的热量传递主要依靠导热；而在底层以外的湍流区，除热传导以外，主要依靠流体微团的混合运动。
除液态金属以外，一般流体导热率都很小，湍流换热时的主要热阻在层流地层区。
因此对于强化湍流流动的换热，主要原则应是减薄层流底层的厚度。
6、管式换热器一般采用圆管还是矩形通道？为什么？
在管子数目、工质流量及管道横截面周界均给定的情况下，圆形管道的流通截面积最大，矩形的最小，而流速恰好相反。
在个管道中温度条件相同时，矩形管道能增加换热系数，但同时阻力也剧增，这就是管式换热器一般采用圆管而不用换热效果横好的矩形管道的原因。
7、采用扩张-收缩管式如何强化传热的？
流体在扩张段中产生的强烈漩涡被流体带入收缩段时得到了有效利用，从而增强了传热。
此外，在收缩段中由于流体流过收缩截面时流速增高，使流体边界层中流速也相应增高，从而也增进了传热效应。
8、轧槽管强化换热的机理是什么？
轧槽管有强化换热效果是因为管内存在两种流动。
一是轧槽管内的凸起对近壁区流体起限制作用，使其产生附加旋流运动，从而减薄了传热边界层的厚度，提高了传热效率。
二是轧槽管内的凸起导致逆向压力梯度，使边界层分离，而使流体径向混合加强，提高了传热效率。
9、管内插入纽带达到强化换热效果的原因是什么？
（1）纽带的插入使得圆管的水力直径dh减小，从而导致换热系数增大。
（2）纽带的存在使得流体产生一个切向速度分量，其流动速度增大（尤其是靠近圆管管壁面处）。
由于壁面处剪切应力的增大和二次流导致的流体混合的增强，使换热得以强化。
（3）如果纽带与管子壁面处紧密接触，他们之间的接触热阻较小，则可增大有效的换热表面面积。
10、何谓错开扭带？强化传热的机理是什么？
答：（1）将扭率为y的扭带剪成长度为H/2（即扭转180°的轴向长度）的一系列短扭带元件，然后使每一元件互相错开90°并保持同一旋转方向做点焊连接，便形成了错开扭带。
（2）错开扭带在管内流体中引起的旋转、流体的不断分割和掺混使得中心流体与管壁流体产生较强的径向混合，破坏边界层的发展，从而强化传热过程。
11、在管内插入螺旋线圈的传热强化机理是什么？什么情况下宜采用？答：（1）在管内插入金属螺旋线圈是一种有效且简易可行的传热强化方法。
将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成螺旋线圈强化传热管。
在内插螺旋线圈管子的近壁区域，流体一方面由于螺旋线圈的作用发生旋转，一方面还周期性的受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。
（2）由于绕制线圈的金属丝较细，流体旋转强度较弱，因此这种强化管的流动阻力相对较小。
在管内流体流速较大的情况下，为了防止强化管阻力过大，可采用这种螺旋线圈强化管。
12、采用横纹槽管强化纵向冲刷管束的换热有哪些优点？
答：一，横纹槽管不像外肋管那样会由于肋片的存在而增大管子的周边尺寸，使管子难以紧凑布置，采用横纹槽管可使管束布置紧凑，适用于紧凑式换热器。
二，横纹槽管是一种双面强化传热的管型，其内、外壁被轧制成环状波纹凸肋，使内壁能改变流体边界层的状态，外壁能增大扰动，因此，横纹槽管不仅使管外换热得以强化，而且可同时强化管内换热过程。
三，制造及装配工艺简便。
13、管束采用肋片扩展表面如何达到强化传热的？
当换热器俩测流体的换热系数相差较大时，在换热系数较小的一侧应用肋片管，可扩大换热面表面积，并促进流体的扰动而减小传热热阻，有效地增大传热系数，从而增加传热量，或者在传热量不变时减小换热器的体积，达到高效紧凑的目的。
14、在板式换热器中，肋片的作用是什么？
（1）增大传热面积，并利用比隔板大得多的比表面积提高换热器的紧凑性；（2）由于肋片的特殊结构，特别是采用各种异形扩展换热面后，流体在流道中产生强烈扰动，使边界层不断破坏、更新，从而有效地降低热阻，提高传热效率；（3）由于
肋片在隔板之间起着加强肋的作用，使板束形成牢固的整体，提高了换热器的强度和承压能力。
15、在气体中加入液体添加剂是如何强化单相流体对流传热的？
在气体中加入液体通常是指向气流中喷入小液滴，换热面为液滴湿润，在换热面上形成的液膜发生蒸发，并对流动边界层产生扰动。
如果换热面能被加入的液体完全湿润，则可大大增强传热。
在换热面不为喷入的水滴湿润时，也可取得一定得传热强化效果。
在这种情况下，由气体上游喷入的液滴将气流冷却至湿球温度，然后液滴在气流流经换热面时与其发生换热。
当液滴温度低于气流温度时，可获得较好的传热效果。