如何強(qiáng)化傳熱技術(shù)及一些典型的應(yīng)用

　　論文摘要：本文闡明了強(qiáng)化傳熱技術(shù)的重要性及其發(fā)展趨勢(shì)；包括強(qiáng)化傳熱的分類(lèi)、強(qiáng)化傳熱的途徑、強(qiáng)化傳熱的應(yīng)用場(chǎng)合等；列舉了一些強(qiáng)化傳熱的典型應(yīng)用，包括表面增強(qiáng)型蒸發(fā)管、采用波紋換熱管管內(nèi)強(qiáng)化傳熱、采用超聲波抗垢強(qiáng)化傳熱技術(shù)、采用螺旋槽管的強(qiáng)化傳熱技術(shù)、采用小熱管的強(qiáng)化傳熱技術(shù)等。通過(guò)分析得出強(qiáng)化傳熱應(yīng)注意的一些問(wèn)題。

　　論文關(guān)鍵詞：強(qiáng)化傳熱 典型 應(yīng)用
　　
　　由于生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展需要強(qiáng)化傳熱從80年代起就引起了廣泛的重視和發(fā)展。表現(xiàn)在設(shè)計(jì)和制造各類(lèi)高性能熱設(shè)備，航空，航天及核聚變等尖端技術(shù)，計(jì)算機(jī)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(duì)強(qiáng)化傳熱進(jìn)行及為廣泛的研究和探討，從80年代到現(xiàn)在近20多的時(shí)間里，世界各國(guó)的科學(xué)領(lǐng)域里，有關(guān)強(qiáng)化傳熱研究報(bào)告舉不勝數(shù)。

　　一、強(qiáng)化傳熱技術(shù)的分類(lèi)

　�。ㄒ唬�導(dǎo)熱過(guò)程的強(qiáng)化
　　導(dǎo)熱是熱量傳遞的三種基本方式之一，它同樣也存在著強(qiáng)化問(wèn)題。導(dǎo)熱是依靠物體中的質(zhì)量（分子，原子，或自由電子）運(yùn)動(dòng)來(lái)傳遞能量。固體內(nèi)部不同溫度層之間的傳熱就是一種典型的導(dǎo)熱過(guò)程，但固體之間接觸存在著接觸熱阻，降低了能量的傳遞，在高熱流場(chǎng)合下，為了盡快導(dǎo)出熱量必須設(shè)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(dǎo)熱系數(shù)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
　　（二）輻射換熱的強(qiáng)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(duì)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(shè)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�）對(duì)流換熱強(qiáng)化
　　對(duì)流強(qiáng)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(duì)流換熱的有源強(qiáng)化又可分為：利用機(jī)械攪動(dòng)加強(qiáng)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(duì)流換熱，電磁場(chǎng)作用下的對(duì)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(duì)流換熱的無(wú)源換熱又可分為：管內(nèi)插入物對(duì)傳熱的增強(qiáng)，渦旋流動(dòng)的強(qiáng)化傳熱，添加物對(duì)流換熱，流化床與埋管間的傳熱，射流沖擊。

　　二、強(qiáng)化傳熱的途徑

　　在熱設(shè)備中應(yīng)用強(qiáng)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(shè)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(nèi)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(shù)，是反映傳熱強(qiáng)弱的指標(biāo)。從上式可以看出，增大傳熱量可以通過(guò)提高傳熱系數(shù)，擴(kuò)大傳熱面積和增大傳熱溫差3種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　三、應(yīng)用場(chǎng)合

　　不同的強(qiáng)化傳熱技術(shù)有不同的應(yīng)用場(chǎng)合：對(duì)流換熱按其發(fā)生的原因可分為自然對(duì)流換熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱。在這良種對(duì)流換熱過(guò)程中，就流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又可區(qū)分為層流換熱及湍流關(guān)熱，這取決于流體的雷諾數(shù)，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(fù)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(jié)構(gòu)組成的復(fù)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(nèi)沸騰，流動(dòng)沸騰及蒸汽凝結(jié)之分。
　　前面提到的那些強(qiáng)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(duì)所有對(duì)流換熱狀態(tài)都有不同程度的強(qiáng)化作用。其中在各類(lèi)通道中強(qiáng)制對(duì)流（包括層流及湍流）換熱的強(qiáng)化研究得最多，因而也是最成熟的和在工業(yè)上應(yīng)用的最廣的。從強(qiáng)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(qiáng)化，而且它們還被廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)熱設(shè)備中去。就目前來(lái)看，應(yīng)用最多的是換熱器方面的強(qiáng)化傳熱。當(dāng)然其他電子方面也有很多。

　　四、強(qiáng)化傳熱的應(yīng)用舉例

　　（一）表面增強(qiáng)型蒸發(fā)管
　　采用雙側(cè)強(qiáng)化管型，管內(nèi)側(cè)有內(nèi)螺紋槽，管外側(cè)是一種利用機(jī)械加工的雙重凹陷多孔結(jié)構(gòu)，管型的機(jī)構(gòu)其總傳熱系數(shù)隨著流速的增大而增大，當(dāng)管內(nèi)水流速為0.3~1.3m/s時(shí)，主翅和內(nèi)翅的翅高分別為0.70mm和0.48mm，翅數(shù)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(shù)量，其換熱性能最為優(yōu)越。
　　（二）采用波紋換熱管管內(nèi)強(qiáng)化傳熱
　　用波紋管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光滑直管，能大大強(qiáng)化熱量傳遞。分別在實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度20度，管程水流量40-1400L/h，雷諾數(shù)Re=1800 -24000，蒸汽壓力為0.15MPa，蒸汽溫度為113.5度；實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度20度，管程水流量范圍40-1400L/h，雷諾數(shù)Re=1800-24000，蒸汽壓力為0.15MPa，蒸汽溫度為113.5度。在實(shí)驗(yàn)Re變化范圍內(nèi)，波紋管的管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)a和努塞爾數(shù)Nu均隨著Re的增大而增大，并且都比光滑直管大2.5-3倍。
　　（三）采用超聲波抗垢強(qiáng)化傳熱技術(shù)
　　超聲波在液體媒質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)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(yīng)，會(huì)減弱成垢物質(zhì)的分子之間結(jié)合力以及析出垢粒與管道間的附著力，破壞垢物生成和板結(jié)的條件，阻止垢物的生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)防垢的功能。同時(shí)也可導(dǎo)致已形成的垢物脫落，形成松散而不易板結(jié)的沉淀物，達(dá)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(tǒng)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(jié)垢程度相當(dāng)；聲波的防垢作用是很明顯的，其防垢效率最低達(dá)85%，比通常的化學(xué)防垢效果還搞，如果實(shí)驗(yàn)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(xiàn)，當(dāng)聲強(qiáng)大于15W/m2時(shí)，超聲波可使積垢系數(shù)（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(guó)藍(lán)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(jié)合過(guò)程變得很緩慢，阻垢率達(dá)到85%以上。
　�。ㄋ模┎捎寐菪�槽管的強(qiáng)化傳熱技術(shù)
　　周強(qiáng)泰等人通過(guò)對(duì)螺旋槽管管內(nèi)外單相流體傳熱進(jìn)行研究，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按流動(dòng)參數(shù)，物性參數(shù)和幾何參數(shù)采用無(wú)量綱準(zhǔn)則進(jìn)行整理，給出了Re=104-105范圍內(nèi)換熱系數(shù)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(shè)計(jì)依據(jù)。
　　螺旋槽管代替光管作空氣預(yù)熱器，可減輕末級(jí)空氣預(yù)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(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，解決其漏風(fēng)和積灰問(wèn)題，此外還可根據(jù)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(yù)熱器的傳熱管件，大量應(yīng)用與現(xiàn)役煤粉鍋爐空氣預(yù)熱器的更換改造和新型的整套設(shè)計(jì)，其性能明顯比其他型式空氣預(yù)熱器優(yōu)越。
　�。ㄎ澹┎捎眯�熱管的強(qiáng)化傳熱技術(shù)
　　對(duì)五種內(nèi)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(jié)構(gòu)：微粒管，網(wǎng)芯管，加網(wǎng)芯槽管燒結(jié)芯管，光管。五種熱管的蒸發(fā)傳熱系數(shù)都隨工作溫度的升高而增加；隨著傾角的增大而增大；微粒管和網(wǎng)芯管的傳熱系數(shù)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(jié)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(qiáng)化了管內(nèi)蒸發(fā)和凝結(jié)換熱，其中，微粒管的傳熱系數(shù)最高，而且對(duì)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(jié)強(qiáng)化效果最好，其傳熱系數(shù)可達(dá)光管的15倍。

　　五、強(qiáng)化傳熱應(yīng)該考慮的問(wèn)題

　�。ㄒ唬┎捎脧�(qiáng)化傳熱措施所獲得的設(shè)備功率的增加和系統(tǒng)熱效率的提高，或者設(shè)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�）采用所選擇的強(qiáng)化傳熱措施后需要增加多少費(fèi)用？工藝復(fù)雜性怎么樣？能否大規(guī)模生產(chǎn)？
　�。ㄈ�）所采用的強(qiáng)化傳熱方法與傳熱介質(zhì)的相容性如何？能否保證強(qiáng)化傳熱性能持久有效？
　　（四）采用強(qiáng)化傳熱措施后能收到多大的經(jīng)濟(jì)效益？

　　六、總結(jié)

　　大多數(shù)強(qiáng)化傳熱方法都能有效地提高傳熱系數(shù)，能起到很好的強(qiáng)化傳熱的目的，但各種方法都有其最合適的應(yīng)用場(chǎng)所，需根據(jù)具體的問(wèn)題采用不同的強(qiáng)化方法，作到最優(yōu)化的強(qiáng)化傳熱。對(duì)于任何一種新的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，僅停留在理論上的研究是不夠的，還應(yīng)對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行深入的了解，調(diào)查和研究，并掌握有針對(duì)性地解決存在問(wèn)題的方法，才能在實(shí)踐中得到推廣應(yīng)用。
 

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