淺析換熱器的強化技術及其研究方法

邱佳文

(東北大學設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110166)

引言

換熱器的研究對節能降耗至關重要。以空氣預熱器為例，空氣預熱器作為一種換熱器，在鋼鐵企業廣泛使用。鋼鐵企業的軋鋼加熱爐排出爐外的煙氣熱量巨大，加熱爐是鋼廠的主要能耗設備，為了將煙氣帶走的熱量進行回收，利用空氣預熱器回收高溫煙氣的余熱，用來預熱空氣，極大的提高了燃料利用率，對能源節約來說，是行之有效的方法[1]。另外，回收余熱的多少取決于換熱器的換熱效率。因此，強化傳熱技術顯得尤為重要。

1 換熱器強化技術

強化傳熱技術可以分為兩類：被動式、主動式。

需要消耗外部能量的強化傳熱方式，我們稱為主動傳熱，主動傳熱的手段一般有：磁場、電場、攪拌、光照射、噴射等。

不需要消耗外部能量的強化傳熱方式，我們稱為被動傳熱，被動傳熱的手段有：表面處理、改變形狀、插入插件、改變支撐物等。

被動強化技術應用最廣、最多，因此我們重點討論被動強化技術的一些手段。

1.1 將傳熱管進行表面處理

在對流換熱過程中，傳熱方式分為有相變換熱和無相變換熱，兩者區別在于是否發生蒸汽凝結或液體沸騰的換熱過程。

(1)無相變傳熱過程。無相變傳熱顧名思義就是不發生相變，也就是在對流換熱過程中，不發生蒸汽凝結或液體沸騰的換熱過程。例如：旋流管、縮放管、波紋管、橫紋管、螺旋槽管、螺旋橢圓扁管等都是極具代表性的異型管。這種傳熱管具有很多優點，結構比較簡單，這樣使得換熱器方便加工，而且換熱器的結構緊湊，增加了傳熱面積，傳熱效果好，換熱器的制造成本也大大降低。

(2)有相變傳熱過程。有相變傳熱與無相變相反，也就是在對流換熱過程中，發生了蒸汽凝結或液體沸騰的換熱過程。例如：冷凝傳熱的鋸齒形翅片管、花瓣形翅片管，強化沸騰傳熱的T形管、表面多孔管等都是極具代表性的異型管。

1.2 傳熱管內插件技術

傳熱管內插件技術優點優點多，在強化換熱中被廣泛使用，它具有簡單的工藝，使得制造成本低廉，并且不易生成污垢，增大了湍流程度，增加了換熱效率，還有就是內插件清潔污垢也比較便捷。例如：螺旋線圈內插件、扭帶內插件、靜態混合器、螺旋彈簧內插件等都是極具代表性的傳熱管內插件。

1.3 管束支撐技術

管束支撐具有強化殼程熱交換的特點，同時對管束支撐，可以引導殼程流體流向和減小管束振動。例如：折流桿支撐、弓形折流板支撐、空心圓環支撐、螺旋隔板支撐、螺旋折流片支撐等都是極具代表性的管束支撐手段[2]。

2 換熱器強化技術的研究方法

換熱器的強化換熱技術的研究方法分兩個方面：換熱器內流體流態變化的研究、對各部件的參數優化的研究。研究方法歸納為三類：理論分析研究、實驗研究、數值模擬計算研究。

2.1 理論分析研究

換熱器理論分析研究是換熱器裝置性能強化有力的支持依據，實驗前用理論進行分析，分析包括實驗的目的和可能出現的結果，另外，我們可以根據相關的已知作為基礎，推導出一個含有想要求解的未知量的公式，理論分析和其他變量的相關性，最后用實驗驗證這個結果的準確性，這個公式也就變成了實驗的有力依據[3]。

2.2 實驗研究

為了更加深入地反映換熱器的實際運行性能，必須采用實驗研究。為了得到換熱器的流場分布和溫度場分布，以及不同結構的強化傳熱機理，需要使用實驗儀器進行實驗，并且對實驗結構進行整理、處理、分析計算。

2.3 數值模擬計算研究

數值迷你計算研究的首要任務是先確立換熱器傳熱過程的物理模型，然后確定邊界條件，接下來用數值模擬軟件進行計算，最后還要用后處理軟件進行數據處理。Fluent數值模擬軟件經常被作為數值模擬計算研究的一種手段[4]。

通過計算機技術進行仿真模擬具有廣泛的應用范圍。計算機技術可以直接模擬仿真自然對流、剝離流、振動流和湍流熱傳導，并且可以利用計算機技術進行仿真模擬輻射傳熱、多相流和稠液流的機理[5]。

換熱器的數值模擬可以分析換熱器內流體的流動情況，也可以對不同結構換熱器進行分析。對于研究換熱器的傳熱強化，數值模擬計算研究是必不可少的手段。

實驗研究和數值模擬計算研究相輔相成，實驗可以驗證數值模擬的結果，數值模擬的結果同樣是實驗結果準確性的有力證明。

3 結束語

隨著節約能源、降低損耗在工業生產中越來越被人們注意，換熱器強化傳熱的意義也越來越重要。換熱器的強化傳熱技術有：傳熱管表面處理、傳熱管內插件、管束支撐。換熱器的三種研究方法為：理論分析研究、實驗研究、數值模擬計算研究。