第六章-3 传热强化技术
(完整word版)强化传热技术
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。
强化传热技术的原理及应用实例
强化传热技术的原理及应用实例传热技术广泛应用于各个领域，包括发电、工业生产、环境控制和家庭生活等方面。
随着科技的不断发展，传热技术也在不断更新和完善，其中强化传热技术被认为是一种高效、节能的传热技术，得到了越来越多的应用。
一、强化传热技术的原理强化传热技术是指在传热过程中通过改变传热界面的形态或热介质的流动来提高传热效率的一种方法。
其主要通过增大传热界面的面积或者提高传热过程中的传热效率来实现强化传热。
具体来说，强化传热技术可以分为以下几种类型：1. 内部强化传热技术内部强化传热技术主要是通过改变流体流动方式来提高传热效率。
常见的方法包括增加流速、改变流动方向、引入强制对流以及改变传热介质的物性等。
这些方法可以增强壁面的传热效率，减少传热过程中的局部热阻，提高传热效率。
2. 外部强化传热技术外部强化传热技术则是通过在传热表面上引入一定的扰动来增大传热界面的面积，从而提高传热效率。
常见的方法包括在传热表面上安装翼片、鳍片等结构以及改变传热表面的形状等。
这些方法可以强制流体沿着传热表面运动，增加热传递的表面积，提高传热效率。
3. 相变强化传热技术相变强化传热技术是指通过改变传热介质的相变状态来提高传热效率的一种方法。
常见的方法包括利用相变材料的相变热来增加传热介质的热容量、引入超声波等对相变过程进行控制等。
这些方法可以提高相变介质的传热效率，从而提高传热效率。
二、强化传热技术的应用实例1. 飞机发动机冷却飞机发动机的高温环境对于发动机的正常运行至关重要。
传统的发动机冷却方式是通过空气流动来降低温度，但是这种方法无法在高速飞行时提供足够的冷却。
因此，强化传热技术被应用到了发动机冷却中，通过引入冷却介质的流动和内部强化传热技术来提高冷却效率，从而保证发动机在高温环境下正常运行。
2. 化工反应器化工反应器在工业生产中扮演着重要的角色，而其中的传热过程对于反应器的效率和稳定性也至关重要。
利用外部强化传热技术，可以将反应器表面增加摩擦力，增大传热面积，提高传热效率。
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。
强化传热与换热器
耐温<1000℃
耐温<800℃ 耐温<800℃ 保冷材料 保冷材料
常绿树木栓层制成
120~200
换热器
按传热特征分：
间壁式：冷、热流体由固体间壁隔开，传热面积固定，热量 传递为：对流-导热-对流的串联过程。
混合式：通过冷、热两流体的直接混合来进行热量交换。
化 工 原 理
蓄热式 (蓄热器)：由热容量较大的蓄热室构成，使冷、热流 体交替通过换热器的同一蓄热室。
化 工 原 理
—— 保温效率
Q0 — 单位长度裸管的散热量，W/m； Q — 单位长度保温层厚度为 的管子的散热量，W/m。
保温技术的一个重要方面，就是选择合适的保温材料，选用 时应根据本地区的实际情况加以选用。
保温隔热技术 材料名称
碳酸镁石棉 碳酸镁砖 碳酸镁管 硅藻土材料 泡沫混凝土 矿 渣 棉
(3) 引入机械振动 使传热表面振动，或使流体振动，或是施 加电场作用，目的是加强滞流底层的湍动。
沸腾和冷凝传热的给热系数已相当高，也有相应的强化传热 理论和技术。
传热的强化
增大传热面积
增加传热面积的方法： 用螺纹管或螺旋槽管代替光管； 在园管外表面上加螺旋翅片，或在管壁上加工轴向肋片。
化 工 原 理
化 工 原 理
间壁式换热器的类型和结构型式
浮头式换热器
化 工 原 理
结构：一块管板与壳体固定，另一块管板可以在壳体内来回 活动，并连接一浮头，当管束受热受冷时即可自由伸缩。浮 头式换热器各有一个内浮头和一个外浮头。 优点：有良好的热补偿性能，管束可从壳体中拔出清洗； 缺点：结构复杂，造价较高。 我国已有标准化的列管式换热器系列产品供选用。例如：型 号为FB800-180-16-4换热器，FB表示浮头式B型，25×2.5mm 换热管，正方形排列，壳体公称直径800mm，公称传热面积 180m2，公称压力16kgf/cm2，管程数为4。
《强化传热技术进展》PPT课件
生元的结构 形状 大小 方位 数量以及不同发生元间的距
离相对传热壁面的位置等因素有关。
2 、 EHD强化传热
电水动力学(EHD)强化传热是在流体中施以外加电 场，利用电场与流场和温度场的相互作用而达到强化传 热目的的一种主动强化传热方法。EHD强化传热具有设 备简单、应用面广、功耗低和强化传热效果显著等一系
从强化的传热过程来分，分为导热过程的强化、单
相对流传热过程的强化、沸腾传热过程的强化、凝结传 热过程的强化和辐射传热过程的强化。从提高传热系数 的各种强化传热技术来分，可分为有功技术和无功技术， 也将其称为有源强化技术和无源强化技术，主动式强化
技术和被动式强化技术。
强化对流传热，它主要在扩大加热管的有效面积但
1) 在换热功率、工质流量与压力损失相同时，比较二者
的换热面积和体积；
2) 在换热器体积、工质流量与压力损失相同时，比较二
者的换热功率； 3) 在换热面积、换热功率与工质流量相同时，比较二者 的压力损失。但上述评价方法只考虑了单侧的换热效 果，虽有一定参考价值，但不可避免地带有片面性。
综合换热评价是在考虑了换热管内外侧换热(即总 传热系数)的情况下，综合考虑其换热功率、工质流量、 压力损失及换热器体积4方面因素，因而比上述方法更 能反映出强化传热的实际综合效果。而进行技术推广应
又不过分增大流阻的条件下，将加热管子内外表面扎制 成各种不同的表面形状,促进流体产生湍流,提高传热性 能。
强化沸腾传热是通过改良传热表面的性能，来强化 沸腾传热，这种表面改良既要符合传热机理的要求，也 要充分发挥其特点，如表面多孔管、管内表面涂层等都
可以使汽化核心的数量大大增加，从而使沸腾传热系数
复合强化技术
传热的强化途径简述
传热的强化途径简述换热器广泛运用在化工，制药，冶金，能源，石油，动力等工业领域在生产中占有重要的地位，在一般的化工工业建设中，换热器建设投资金额往往可以占到总工业建设投资的10%~20%，目前在化工领域我国的能源利用率与发达国家仍有较大的差距，这与目前我国发展的绿色化工方向有所不符，因此如何强化传热便成为化工生产实践中必须要骄傲考虑的大问题。
以下我将从换热器原理出发，分析影响换热器换热效率的较大因素，并通过查询文献对这些问题给出较为可行的意见，同时对未来可能发展做出展望。
一、影响换热的主要因素目前化工生产中的换热器多为间壁式换热器，通常而言，间壁式换热器冷、热流体的传热进程主要含有三个阶段，一，基于对流方式使热量向管壁进行传递；二，通过热传导方式，让热量从管壁一侧向另一侧完成传递；三，传递到另一侧位置的热量又通过对流方式向冷流体实现传递。
间壁换热器换热的三个步骤里，热传导存在于管壁内部其热阻相对较小，进而不会对传热造成较大影响。
总结可得，在换热器的传热过程中对与换热影响较大的为对流传热。
影响对流传热速率因素包括多个方面，一，流体本身性质，由于流体的粘度，导热系数，热容，密度等都不相同，故不同流体流经同样的换热器其导热速率也不尽相同。
二，流动形式，流体在换热管路中的流动大致可以被分为两种形式，层流与湍流，层流形态中起导热作用的中介主要为流体分子，而湍流中起导热作用的主要中介为流体质点与流体微团，由于质点与微团热运动剧烈程度要比流体分子高许多，因此湍流时流体的热阻要比层流时的热阻小得多。
三，流体种类与相变，若流体传热过程中发生相变化其传热机理将发生变化，这也将体现在流体的传热系数的差异上。
四，传热面位置、形状及大小，包括板，管，翅片以及环隙等在内的传热面的形状、管径与管长等都为影响传热速率因素。
传热面布置与方位等均会使对流传热系数备受直接影响。
五，流体流动成因，流体流动可被分为强制对流和自然对流，在化工生产中一般采用泵等做功设备使流在换热器内发生体强制对流，强制对流传热系数比自然对流要高得多。
强化传热技术的原理
强化传热技术的原理强化传热技术是指通过改变传热介质的局部流动状态、增大传热面积、增加流体的湍动或实现传热界面的机械振动等方式，以提高传热效率的一系列技术手段。
其主要原理包括增加传热面积、改变流体流动状态以及改善传热介质的传热性能等。
首先，增加传热面积是强化传热技术的基本原理之一。
通过在传热装置内部设置多种形状的传热管或换热器片等结构，可以显著增大传热面积，提高传热效率。
例如，在换热器中采用螺旋翅片管，可以有效增大传热面积，增加传热效果。
此外，通过增加细小的传热介质颗粒或纤维等，也可以增加传热面积，提高传热效率。
其次，改变流体流动状态也是强化传热技术的重要手段之一。
传统的传热方式通常是通过传热介质的自然对流或强制对流来实现的，但这两种传热方式传热效率较低。
通过改变传热介质的流动状态，例如增大传热介质的湍动程度，可以大幅度提高传热效率。
常见的方法包括增加流体的流速，增加传热介质的湍动强度，采用特殊形状的传热管等。
第三，改善传热介质的传热性能也是强化传热技术的重要原理之一。
传热介质的传热性能直接影响传热效率。
不同的传热介质具有不同的传热性能，通过选择合适的传热介质可以提高传热效率。
例如，采用高传热性能的传热介质，如导热油、高导热粉体等，可以显著提高传热效果。
此外，通过添加传热增强剂，改变传热介质的热物性，也可以提高传热效率。
总之，强化传热技术是通过增加传热面积、改变流体流动状态以及改善传热介质的传热性能等手段，以提高传热效率的技术方法。
这些原理不仅可以单独应用，还可以相互结合，形成多种强化传热技术。
在实际应用中，根据不同的传热过程和要求，选择合适的强化传热技术，可以达到更好的传热效果。
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。
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图6-39 螺旋折流式支承
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�
过程设备设计
Q = KFΔtm
K——传热系数,w/m2℃; F——换热面积,m2;
表征传热过程 强弱程度
Δtm ——热流体与冷流体的平均传热温差,℃
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
6.3.1 传热强化概述
过程设备设计
增大平均传热温差
平均传热温差 Δtm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. 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.
过程设备设计
(3)翅片——提高传热面积,提高传热系数
翅片不适合用于高表面张力的液体冷凝和会产生严重 结垢的场合,尤其不适用于需要机械清洗,携带大量 颗粒流体的流动场合. a. 内翅片圆管 b. 外翅片圆管 c. 板式翅片 d. 槽带板式翅片 e. 穿孔翅片
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6.3.2 扩展表面及内插件强化传热
过程设备设计
14
6.3.2 扩展表面及内插件强化传热
过程设备设计
缩放管
(4)其他形状换热管
螺纹管 波纹管
(5)内插件强化传热
在换热管内加入某种形式的内插强化元件是管式换热 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.
15
6.3.3 壳程强化传热
过程设备设计
目前,换热设备壳程强化传பைடு நூலகம்的途径主要有:
螺旋翅片 螺旋翅片
圆形翅片 圆形翅片
锯齿翅片 锯齿翅片
扇形翅片 扇形翅片
外翅片圆管——影响翅化表面传热的主要因素是翅片高度, 翅片厚度,翅片间距以及翅片材料的导热系数 图6-32 外翅片圆管
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6.3.2 扩展表面及内插件强化传热
过程设备设计
图6-33 板式翅片结构
板式翅片——板式翅片上各局部位置的换热强弱存在着很大 差异,板式翅片传热受到雷诺数,管排数,翅 片间距和管间距的影响.
19
6.3.3 壳程强化传热
过程设备设计
(3) 结垢速率变慢,延长了操作周期.
(4) 消除了弓形折流板造成的局部腐蚀和磨损(或 切割)破坏,改善了换热管的支撑情况和介质 的流动状态,消除或减少了因换热管的振动而 引起管子的破坏,延长了换热器的使用寿命.
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6.3.3 壳程强化传热
过程设备设计
由于折流杆换热器壳程流体为纵向流动,因此折流 杆换热器适合在高雷诺数(或高流速)下运行; 在中低雷诺数下运行强化传热效果不显著,或者无 效,甚至比折流板换热器更差,此时可进一步改进 换热器结构,例如采用多壳程的折流杆换热器.
改变管子外形或在管外加翅片,即通过管子形状或表面性 质的改变来达到强化传热目的,如采用螺纹管,外翅片管等; 改变壳程挡板或管束支承结构,使壳程流体流动形态发生 变化,以减少或消除壳程流动与传热的滞留死区,使换热面积 得到充分利用.
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6.3.3 壳程强化传热
过程设备设计
(1)改变壳程挡板结构
传统的单弓形折流板支承局限—— 壳程流体易产生流动死区,换热面积无法充分利用,因而壳程 传热系数低,易结垢,流体阻力大.且当流体横向流过管束时, 还可能引起管束流体诱导振动. 新型—— 多弓形折流板,整圆形板,异形孔板,网状整圆形板等.它们 的特点是尽可能将原折流板的流体横向流动变为平行于换热管 的纵向流动,以消除壳程流体流动与传热的死区,达到强化传 热的目的.
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6.3.1 传热强化概述
过程设备设计
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.
问题:流动阻力增大
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6.3.1 传热强化概述
过程设备设计
提高传热系数
提高传热系数的方法
第六章 换热设备
6.1 概述
过程设备设计
6.2 管壳式换热器 6.3.1 传热强化概述 6.3 传热强化技术
6.3.2 扩展表面及内插件强化传热 6.3.3 壳程强化传热
1
过程设备设计
6.3 传热强化技术
教学重点: 传热强化在结构上采取的措施. 教学难点: 无.
2
6.3.1 传热强化概述
换热设备稳定传热时的传热方程式:
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6.3.3 壳程强化传热
过程设备设计
b.自支承结构——自支撑结构通过采用自支承管,如刺孔 膜片管,螺旋扁管和变截面管来简化管束约束,提高 换热器的紧凑度.
图6-38 自支承管及其自支承结构
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6.3.3 壳程强化传热
过程设备设计
c.螺旋折流式支承结构——螺旋折流板是圆截面的折流板 互相形成一种特殊的螺旋形结构,每个折流板与壳程 流体的流动方向成一定角度,使得壳程流体沿着折流 板做螺旋运动.
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6.3.2 扩展表面及内插件强化传热
扩展表面及管内放置强化传热元件: 既能增加传热面积,又能提高传热系数
过程设备设计
(1)扩展表面强化传热 槽管 扩展表面强化传热主要包括 翅片管
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6.3.2 扩展表面及内插件强化传热
过程设备设计
(2)槽管——提高传热系数 壁面扰流结构的换热管 在圆管及圆形通道内形成扰流结构
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6.3.3 壳程强化传热
过程设备设计
图6-37 网状整圆形折流板
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6.3.3 壳程强化传热
过程设备设计
(2)改变管束支承结构
a.杆式支承结构 将管壳式换热器中的折流板改成杆式支承结构,具有许多优点
(1) 使换热器壳程流体的流动方向主要呈轴向流动, 消除了弓形折流板造成的传热死区. (2) 由于壳程介质为轴向流动,没有弓形折流板那么 多转向和缺口处的节流效应,因而流动阻力比较 小,一般为传统弓形折流板的50%以下,达到了 节能的效果.
改变了流体的流动结构,增加近壁区的湍流度
提高流体和壁面的对流传热膜系数
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6.3.2 扩展表面及内插件强化传热
过程设备设计
a.碾轧槽管——特别适用于换热器中用于强化管内单相流体的
传热以及增强管外流体蒸汽冷凝和液体膜态沸腾传热的作用
b.螺旋槽管
c.横纹槽管
螺旋槽管
横纹槽管
图6-31 槽管结构
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6.3.2 扩展表面及内插件强化传热
当前研究传热强化的重点 主动强化(有源强化)
被动强化(无源强化) 1. 主动强化——需要采用外加的动力(如机械力,电磁力 等) 来增强传热的技术. 如:搅拌换热介质,使换热表面或流体振动,将电磁场作 2. 用于流体以促使换热表面附近流体的混合等技术 被动强化——指除了输送传热介质的功率消耗外不需要附 加动力来增强传热的技术. 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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6.3.2 扩展表面及内插件强化传热
过程设备设计
槽带板式翅片—— 槽带板式翅片已广 泛应用在空调工业, 以及干式冷却塔的 空气冷却器中.
图6-34 槽带板式翅片
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6.3.2 扩展表面及内插件强化传热
过程设备设计
穿孔翅 穿孔翅
换热管 换热管
图6-35 穿孔翅片结构 穿孔翅片——增加对流传热膜系数而流动阻力增加不大.