如何強化傳熱技術(shù)及一些典型的應用
論文摘要：本文闡明了強化傳熱技術(shù)的重要性及其發(fā)展趨勢；包括強化傳熱的分類(lèi)、強化傳熱的途徑、強化傳熱的應用場(chǎng)合等；列舉了一些強化傳熱的典型應用，包括表面增強型蒸發(fā)管、采用波紋換熱管管內強化傳熱、采用超聲波抗垢強化傳熱技術(shù)、采用螺旋槽管的強化傳熱技術(shù)、采用小熱管的強化傳熱技術(shù)等。通過(guò)分析得出強化傳熱應注意的一些問(wèn)題。
論文關(guān)鍵詞：強化傳熱 典型 應用
由于生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展需要強化傳熱從80年代起就引起了廣泛的重視和發(fā)展。表現在設計和制造各類(lèi)高性能熱設備，航空，航天及核聚變等尖端技術(shù)，計算機里密集布置電子元件的有效冷卻。正是上述原因促使人們對強化傳熱進(jìn)行及為廣泛的研究和探討，從80年代到現在近20多的時(shí)間里，世界各國的科學(xué)領(lǐng)域里，有關(guān)強化傳熱研究報告舉不勝數。
一、強化傳熱技術(shù)的分類(lèi)
�。ㄒ唬⿲徇^(guò)程的強化
導熱是熱量傳遞的三種基本方式之一，它同樣也存在著(zhù)強化問(wèn)題。導熱是依靠物體中的質(zhì)量（分子，原子，或自由電子）運動(dòng)來(lái)傳遞能量。固體內部不同溫度層之間的傳熱就是一種典型的導熱過(guò)程，但固體之間接觸存在著(zhù)接觸熱阻，降低了能量的傳遞，在高熱流場(chǎng)合下，為了盡快導出熱量必須設法降低接觸熱阻，一般可采用以下方法：
1、提高接觸面之間光潔度或增加物體間的接觸壓力以增加接觸面積
2、在接觸面之間填充導熱系數較高的氣體（如氦氣）
3、在接觸面上用電化學(xué)方法添加軟金屬涂層或加軟技術(shù)墊片
�。ǘ┹椛鋼Q熱的強化
輻射換熱普遍存在于自然界和許多生產(chǎn)過(guò)程中，只要物體溫度高于絕對零度，它就能依靠電磁波向外發(fā)射能量，所以物體之間總是存在著(zhù)輻射換熱，在物之間溫度差別不是很大的情況下，輻射換熱可以忽略，但在高溫設備中輻射卻是換熱的主要方式。而影響輻射換熱的因素主要有：表面粗糙度，固體微粒，材料。
�。ㄈ⿲α鲹Q熱強化
對流強化傳熱與流體的物理特性，流動(dòng)狀態(tài)，流道幾何形狀，有無(wú)相變發(fā)生以及傳熱壁面的表面狀況等許多因素有關(guān)。其中對流換熱的有源強化又可分為：利用機械攪動(dòng)加強流體與壁面間的傳熱，流體脈動(dòng)和傳熱面震動(dòng)時(shí)的對流換熱，電磁場(chǎng)作用下的對流換熱，經(jīng)過(guò)多孔壁有質(zhì)量透過(guò)時(shí)的壁面換熱。而對流換熱的無(wú)源換熱又可分為：管內插入物對傳熱的增強，渦旋流動(dòng)的強化傳熱，添加物對流換熱，流化床與埋管間的傳熱，射流沖擊。
二、強化傳熱的途徑
在熱設備中應用強化傳熱技術(shù)的目的一般有：（1）增加輸熱量；（2）減少換熱面積和縮小設備體積；（3）降低載熱劑輸送功率的消耗；（4）降低高溫部件的溫度。在表面式換熱器中，單位時(shí)間內的換熱量Q與冷熱流體的溫度差△t及傳熱面積F成正比，即Q=KF△t，式中K為傳熱系數，是反映傳熱強弱的指標。從上式可以看出，增大傳熱量可以通過(guò)提高傳熱系數，擴大傳熱面積和增大傳熱溫差3種途徑來(lái)實(shí)現。
三、應用場(chǎng)合
不同的強化傳熱技術(shù)有不同的應用場(chǎng)合：對流換熱按其發(fā)生的原因可分為自然對流換熱和強制對流換熱。在這良種對流換熱過(guò)程中，就流體的運動(dòng)狀態(tài)又可區分為層流換熱及湍流關(guān)熱，這取決于流體的雷諾數，流道集合形狀和固體的壁面狀況。從流道集合想狀來(lái)看就更為復雜，既有圓形，環(huán)形，三角形，弧形，又有縱向或橫向掠過(guò)管簇以及由各種形狀管翅或板翅結構組成的復雜集合通道。如果流體在穿熱過(guò)程中發(fā)生相變，則又有遲內沸騰，流動(dòng)沸騰及蒸汽凝結之分。
前面提到的那些強化傳熱技術(shù)，有的只使用于特定的某些傳熱介質(zhì)和傳熱過(guò)程，有的則對所有對流換熱狀態(tài)都有不同程度的強化作用。其中在各類(lèi)通道中強制對流（包括層流及湍流）換熱的強化研究得最多，因而也是最成熟的和在工業(yè)上應用的最廣的。從強化傳熱各類(lèi)措施來(lái)看，研究得最多的是各種發(fā)展表面，粗糙表面和渦旋強化，而且它們還被廣泛地應用于各類(lèi)熱設備中去。就目前來(lái)看，應用最多的是換熱器方面的強化傳熱。當然其他電子方面也有很多。
四、強化傳熱的應用舉例
�。ㄒ唬┍砻嬖鰪娦驼舭l(fā)管
采用雙側強化管型，管內側有內螺紋槽，管外側是一種利用機械加工的雙重凹陷多孔結構，管型的機構其總傳熱系數隨著(zhù)流速的增大而增大，當管內水流速為0.3~1.3m/s時(shí)，主翅和內翅的翅高分別為0.70mm和0.48mm，翅數分別為52和38時(shí)，增大了換熱面積，管表面更多的凹陷增加了汽化核心數量，其換熱性能最為優(yōu)越。
�。ǘ┎捎貌y換熱管管內強化傳熱
用波紋管代替傳統的光滑直管，能大大強化熱量傳遞。分別在實(shí)驗環(huán)境溫度20度，管程水流量40-1400L/h，雷諾數Re=1800 -24000，蒸汽壓力為0.15MPa，蒸汽溫度為113.5度；實(shí)驗環(huán)境溫度20度，管程水流量范圍40-1400L/h，雷諾數Re=1800-24000，蒸汽壓力為0.15MPa，蒸汽溫度為113.5度。在實(shí)驗Re變化范圍內，波紋管的管內對流傳熱系數a和努塞爾數Nu均隨著(zhù)Re的增大而增大，并且都比光滑直管大2.5-3倍。
�。ㄈ┎捎贸暡ǹ构笍娀瘋鳠峒夹g(shù)
超聲波在液體媒質(zhì)中傳播時(shí)會(huì )產(chǎn)生機械振動(dòng)作用，空化作用和熱作用。這些作用同時(shí)產(chǎn)生效應，會(huì )減弱成垢物質(zhì)的分子之間結合力以及析出垢粒與管道間的附著(zhù)力，破壞垢物生成和板結的條件，阻止垢物的生長(cháng)，從而實(shí)現防垢的功能。同時(shí)也可導致已形成的垢物脫落，形成松散而不易板結的沉淀物，達到除垢作用。超聲波抗垢裝置主要由超聲波發(fā)生器，傳聲系統和換能器組成。石油大學(xué)等人的研究表明循環(huán)動(dòng)態(tài)情況下與靜態(tài)情況下的結垢程度相當；聲波的防垢作用是很明顯的，其防垢效率最低達85%，比通常的化學(xué)防垢效果還搞，如果實(shí)驗條件加以改進(jìn)其效果會(huì )更好。
前蘇聯(lián)科學(xué)家研究發(fā)現，當聲強大于15W/m2時(shí)，超聲波可使積垢系數（垢層熱阻于總熱阻之比）降低并做到整個(gè)生產(chǎn)期不用清洗。中國藍星化學(xué)清洗總公司研究得出：超聲波有明顯的阻垢功效，施加20kHZ的聲波可使鈣離子和碳酸根離子的結合過(guò)程變得很緩慢，阻垢率達到85%以上。
�。ㄋ模┎捎寐菪酃艿膹娀瘋鳠峒夹g(shù)
周強泰等人通過(guò)對螺旋槽管管內外單相流體傳熱進(jìn)行研究，并將試驗數據按流動(dòng)參數，物性參數和幾何參數采用無(wú)量綱準則進(jìn)行整理，給出了Re=104-105范圍內換熱系數的關(guān)聯(lián)式，該關(guān)聯(lián)式可以作為螺旋槽管換熱器的設計依據。
螺旋槽管代替光管作空氣預熱器，可減輕末級空氣預熱器的積灰，提高傳熱能力，因而可降低排煙溫度及提高熱風(fēng)溫度；可以代替回轉式空氣預熱器，解決其漏風(fēng)和積灰問(wèn)題，此外還可根據不同的具體情況解決鍋爐的一些特殊問(wèn)題。螺旋槽管作為電站鍋爐空氣預熱器的傳熱管件，大量應用與現役煤粉鍋爐空氣預熱器的更換改造和新型的整套設計，其性能明顯比其他型式空氣預熱器優(yōu)越。
�。ㄎ澹┎捎眯峁艿膹娀瘋鳠峒夹g(shù)
對五種內徑相近的小熱管在不同工作溫度，熱流密度及傾角下的傳熱研究，五種熱管帶有不同吸液芯結構：微粒管，網(wǎng)芯管，加網(wǎng)芯槽管燒結芯管，光管。五種熱管的蒸發(fā)傳熱系數都隨工作溫度的升高而增加；隨著(zhù)傾角的增大而增大；微粒管和網(wǎng)芯管的傳熱系數基本上隨熱流密度的增大而增加，而加網(wǎng)芯管微粒管，燒結芯管和光管則隨熱流密度的增加而逐漸減小。有吸液芯的四種熱管都不同程度地強化了管內蒸發(fā)和凝結換熱，其中，微粒管的傳熱系數最高，而且對傾角的變化敏感，大傾角時(shí)約為光管的9倍，小傾角約為光管的14倍；加網(wǎng)芯管微粒管的凝結強化效果最好，其傳熱系數可達光管的15倍。
五、強化傳熱應該考慮的問(wèn)題
�。ㄒ唬┎捎脧娀瘋鳠岽胧┧@得的設備功率的增加和系統熱效率的提高，或者設備體積減小，傳熱介質(zhì)輸送功率降低等效果究竟有多大？
�。ǘ┎捎盟x擇的強化傳熱措施后需要增加多少費用？工藝復雜性怎么樣？能否大規模生產(chǎn)？
�。ㄈ┧捎玫膹娀瘋鳠岱椒ㄅc傳熱介質(zhì)的相容性如何？能否保證強化傳熱性能持久有效？
�。ㄋ模┎捎脧娀瘋鳠岽胧┖竽苁盏蕉啻蟮慕�(jīng)濟效益？
六、總結
大多數強化傳熱方法都能有效地提高傳熱系數，能起到很好的強化傳熱的目的，但各種方法都有其最合適的應用場(chǎng)所，需根據具體的問(wèn)題采用不同的強化方法，作到最優(yōu)化的強化傳熱。對于任何一種新的強化傳熱技術(shù)，僅停留在理論上的研究是不夠的，還應對其應用領(lǐng)域進(jìn)行深入的了解，調查和研究，并掌握有針對性地解決存在問(wèn)題的方法，才能在實(shí)踐中得到推廣應用。
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