淺議換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)

于鵬 王二龍 (國(guó)家熱交換產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，吉林 四平 136000)

1 強(qiáng)化傳熱技術(shù)的價(jià)值

隨著能源危機(jī)的日益加深，如何高效利用能源成了社會(huì)各界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，換熱器作為一種關(guān)鍵設(shè)備，在傳遞能量方面發(fā)揮著重要作用，其傳熱性能的高低對(duì)能源利用效率產(chǎn)生直接且明顯的影響。所謂強(qiáng)化傳熱技術(shù)指的是，提升和保證換熱器綜合效率的一系列措施的集合。二十世紀(jì)七十年代初，能源危機(jī)幾乎波及全球各國(guó)，這在很大程度上推動(dòng)了強(qiáng)化傳熱技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[1]。若想達(dá)成節(jié)能降耗的目的，則需要針對(duì)傳熱環(huán)節(jié)所涉及的強(qiáng)化問(wèn)題進(jìn)行深入研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出適宜的強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，這也已然成為現(xiàn)代工業(yè)節(jié)能工作中亟需解決的問(wèn)題之一。

2 主動(dòng)式強(qiáng)化傳熱技術(shù)

2.1 機(jī)械攪拌

機(jī)械攪拌主要有三種形式，一是攪動(dòng)流體，二是旋轉(zhuǎn)傳熱表面，三是表面刮削[2]。擁有可旋轉(zhuǎn)性能換熱器管道的設(shè)備現(xiàn)如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。表面刮削常見(jiàn)于化學(xué)生產(chǎn)領(lǐng)域黏性流體的批量式處理，如刮面式換熱器，目前已經(jīng)在食品工業(yè)領(lǐng)域得以普及應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。

2.2 表面振動(dòng)

不管是高頻率振動(dòng)，又或者是低頻率振動(dòng)，大多情況下都用來(lái)增強(qiáng)單相流體傳熱。其作用原理是，通過(guò)振動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)擾動(dòng)的強(qiáng)化，最終達(dá)成強(qiáng)化傳熱的目的。盡管振動(dòng)能夠強(qiáng)化傳熱，然而振動(dòng)需要大量外界能量的支撐，因而顯得得不償失。有鑒于此，相關(guān)學(xué)者研究指出，可通過(guò)流體誘導(dǎo)振動(dòng)，進(jìn)而達(dá)成強(qiáng)化傳熱的目的，利用水流自身特性誘導(dǎo)傳熱元件發(fā)生振動(dòng)，能夠節(jié)省大量能量，不僅如此，還可以降低污垢熱阻，獲得復(fù)合式強(qiáng)化傳熱效果。

2.3 靜電場(chǎng)

可借助一些方法使靜電場(chǎng)施加作用于介電流體。總體而言，靜電場(chǎng)能夠讓傳熱表面處的流體形成比較充分的主體混合，最終達(dá)成強(qiáng)化傳熱的目的。靜電場(chǎng)還能夠與磁場(chǎng)結(jié)合應(yīng)用，產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流環(huán)境或擁有該功能的電磁泵。對(duì)于靜止流體，施加相應(yīng)強(qiáng)度靜電場(chǎng)所產(chǎn)生的電暈風(fēng)能可以在相應(yīng)條件下完成對(duì)單相流體傳熱的有效強(qiáng)化。

3 被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱技術(shù)

3.1 表面處理

常見(jiàn)的表面處理形式有兩種：一種是對(duì)表面粗糙度進(jìn)行小幅度調(diào)整，另一種是設(shè)置表面涂層（可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的）。另外，還可以借助以燒結(jié)為代表的一系列傳熱表面處理方式，形成多孔狀或者鋸齒狀表面，常見(jiàn)的如開(kāi)槽、碾壓以及多孔涂層等。通過(guò)該方式得到的表面粗糙度無(wú)法滿足單相流體傳熱的實(shí)際需要，因而大多用于以下兩種傳熱的強(qiáng)化，一是強(qiáng)化沸騰傳熱，二是強(qiáng)化冷凝傳熱[3]。

3.2 擾流裝置

將擾流裝置安裝在流道中的適宜位置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)近壁區(qū)流體流動(dòng)的有效調(diào)整，以一種間接方式強(qiáng)化傳熱表面所擁有的能量傳輸能力，常見(jiàn)于強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)于管內(nèi)插入物，相當(dāng)一部分是此類擾流裝置，不僅有金屬柵網(wǎng)，還有靜態(tài)混合器，除此之外，還有不同類型的環(huán)、盤以及球等元件。

3.3 漩渦流裝置

包括若干種不同類型的幾何布置，常見(jiàn)的如內(nèi)置式漩渦發(fā)生器等。這一類裝置能夠延長(zhǎng)流道長(zhǎng)度，形成旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，大幅提升流體發(fā)生徑向混合的程度，使流體速度和溫度各自的分布擁有更為理想的均勻性，從而達(dá)成強(qiáng)化傳熱的目的，在強(qiáng)化對(duì)層流換熱方面表現(xiàn)出了相當(dāng)理想的效果。

4 換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展方向

4.1 管程

強(qiáng)化傳熱技術(shù)正處于迅猛發(fā)展之中，異形強(qiáng)化傳熱管引起了業(yè)界關(guān)注，其研發(fā)工作現(xiàn)正在如火如荼地進(jìn)行。傳統(tǒng)異形管表現(xiàn)出諸多不足，如加工難度系數(shù)大、生產(chǎn)成本大、需要借助復(fù)雜的加工裝置。因此，有必要優(yōu)化高效換熱管的研發(fā)技術(shù)，或者設(shè)計(jì)出更為理想的新型高效換熱管，在降低其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的同時(shí)，削減其制造、使用成本，這是普及此類換熱管的一個(gè)基本前提，也是換熱器的未來(lái)發(fā)展方向之一。

4.2 納米傳熱介質(zhì)

相關(guān)研究指出，納米流體擁有非常理想的傳熱功能，以不足5%的體積比于水中摻加CUO納米粒子制作而成的納米流體，其導(dǎo)熱系數(shù)竟然比水增加了60%左右[4]。對(duì)于納米流體，其導(dǎo)熱系數(shù)取決于四大因素：因素一，非限域傳遞的影響；因素二，布朗運(yùn)動(dòng)的影響；因素三，液膜層的影響；因素四，顆粒聚集的影響。

換熱器內(nèi)若使用納米介質(zhì)進(jìn)行換熱，那么將會(huì)明顯提升傳熱效率，正因如此，與之有關(guān)的不同類型的換熱器將不斷問(wèn)世，并在節(jié)能降耗、削減成本方面發(fā)揮積極作用。

5 結(jié)語(yǔ)

在能源危機(jī)日益加劇的今天，應(yīng)繼續(xù)加大對(duì)換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究，完善既有的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，同時(shí)開(kāi)發(fā)新的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，從而幫助企業(yè)獲得更為理想的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]劉雪梅,崔永志,陳軍.管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)及展望[J].紡織機(jī)械,2012,01:16-20.

[2]齊洪洋,高磊,張瑩瑩,周辰琳.管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)概述[J].壓力容器,2012,07:73-78.

[3]林宗虎.管式換熱器中的單相流體強(qiáng)化傳熱技術(shù)[J].自然雜志,2013,05:313-319.

[4]張震,丁玉梅,閻華,關(guān)昌峰,楊衛(wèi)民.換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)——轉(zhuǎn)子內(nèi)插件的實(shí)驗(yàn)[J].化工進(jìn)展,2011,S1:651-654.