赵华融

摘要：在现在化工、动力、食品、制药、机械及其他许多工业部门中，换热器使用广泛，占整个工厂投资比例约10～30%。在功率一定情况下，提高传热效率，可以减轻投资成本，故强化传热具有十分重要的意义。

关键词：换热器;强化传热

传热主要有三种方式：热传导、热对流、热辐射。热对流指流体发生宏观移动时伴随流体质量迁移发生的热量传递。工业上常见的是热对流方式，热对流之中也包含了热传导，本文主要讨论热对流传热强化方式。工业中常用的介质，如空气、烟气、油类等许多化工流体，它们的表面传热系数往往很低。通过强化传热，可以缩小设备体积，减少能源和金属的消耗，这对提高换热设备性能和节约成本的作用非常大。无论是高科技领域的新颖应用还是传统工业中的技术改造，都对强化传热提出新的、更高的要求。热量从一侧高温流体经过某一壁面传递给另一侧低温流体的传热过程一般用下列方程来描述：Q=KA[T]

Q：传热速率，W

K：总传热系数，W/（m.m.K）

A：换热面积，M2

[T] ：对数平均温差，K

传热速率Q是我们想要增大的，简单的增大换热面积没有意义，因为这违背节能增效原则。对数平均温差主要由两种流体的温度确定，由工艺条件给定定，换热器设计选择要么顺流要么逆流方式，改变有限。故可以强化的参数就是总传热系数。总传热系数，归根结底由总热阻决定，总热阻等于热流体对流传热热阻、壁面导热热阻和冷流体对流传热热阻之和。总热阻力的减少有赖于各局部热阻的减少。故可以考虑从这三个方向着手。壁面导热热阻决定因素小，主要是注意选材，选传热系数大的材料，且结构上要防止污垢产生或易于清理。因为选材还牵涉到与介质的互溶性及结构强度要求，选择性不多。对流传热热阻的主要因素有：（1）介质的物性参数：包含密度、黏度、导热系数、比热容、体积膨胀系数;（2）流体的流动状态;（3）流体的温度;（4）流体对流类型。由于介质的物性参数和流体的温度都是工艺定好的，无法更改，故强化传热方的方式是改变（2）和（4），主要方法有4个：

1.改变流体的流动状态。（1）如提高流速，主要是提高湍流度，但有个问题要注意，流速提高，阻力也会变大，压损会增大，一般根据允许压降来确定可以采用的流速上限。（2）插入物体扰乱流动，这主要针对高粘度介质，以层流为主的情况。

2.改变换热表面的几何形状。这是最常用的方式，容易操作，费用低。主要形式：（1）表面粗糙化。根据需要，可以单面或双面进行表面粗糙化，如图一。根据笔者实际测试结果，适当几何参数的螺纹管的总传热系数比光管高20%～30%;螺纹的深浅、形状、密度（单位长度齿数）都对传热系数有影响。笔者也曾通过不同样式来测试结果，后面再综合考虑把一种定位标准化产品样式。（2）改变特征尺寸。比如用椭圆管或扁管代替圆管。（3）外表面肋化。气体的传热系数一般比较低，加肋是提高总换热系数很有效的方法。

3.改变流体的物性。利用添加剂人为地改变流体的某些物理性质，比如导热系数和比热容，这样可以达到一定的强化传热效果。（1）气体中加入固体颗粒，不但提高了比热容，固体颗粒因在气流中的不规则运动使扰动增加，特别是对边界层的增加，打打改善传热效果。（2）液体中加入气体。

4.外力强化方法。主要包含机械搅拌、机械振动、超声波以及外加静电场等。最常见的是机械搅拌，搅拌器叶轮的提高了流体流动速度，可以大大提高传热系数。换热面振动有个缺点是设备容易损坏。

强化传热要注意几个问题：

1. 应根据不同场合、条件，确定采用哪种方法;

2. 并不排除采用兩种以上方法，只要经济上合理，机理上不矛盾。

3. 一侧流体的传热强化不应该对另一侧造成不利的影响。

着眼于工程实际应用，从换热器整体性能的改善出发考虑强化效果才是合理的。

由于对流换热问题的多样性和复杂性和过多的影响因素，以及各个影响因素之间相互制约的特性，迄今为止，实验仍是研究各种对流换热工程问题的基本手段。即使是用其他方法或理论推导出来的，由于其中往往包含了许多假设条件或近似值，更不必说工程上还有大量对流传热问题根本无法通过数学解析得到结果，因此，实验方法是研究对流换热问题不可缺少的重要手段之一。实验研究方法在正确理论分析指导下进行，可以达到理想的效果，或说可以事半功倍。

鉴于此，各换热器制造厂家有必要根据自身制造能力、市场换热器型式、换热管形状，推出适合自身的强化传热方式的换热器。

结语：在换热器的设计生产过程中，其合理变化换热管外形及折流板间距、进出管位置等，可以起到强化传热的效果，从而提高效率，节省成本。因此，有必要在充分讨论和实际验证条件下，进行合理开发设计方案和计算，以提高效能。

参考文献

【1】郑津洋.过程设备设计.2001

【2】邹华生.化工原理.2002

【3】赵镇南.传热学.2008

【4】全国锅炉压力容器标准化技术委员会.热交换器.GB/T151-2014