文 献 综 述

换热器强化技术进展综述

0 引言

换热设备在工业生产中的影响极其深远，换热能力越强，则对能源的利用率越高，在现代社会的发展过程中，能源对社会，经济，环境等方面的影响日益严重，合理的利用能源以及节能技术的应用已经是成为社会发展的必要条件，强化传热技术是节能技术的重要发展，能够有效的提高换热器的效率以及降低使用费用，研究强化传热技术对今后工业生产具有重要的意义^[1]。

1 研究意义

就目前我国人口多，能源资源缺乏的国情来看，必须要重视在工业生产过程中的节能减排，合理利用资源，提高利用率。目前强化型管壳式换热器在各个领域都有所涉及，所以需要重视对管壳式换热器强化传热技术的研究与发展，能够有效的提高生产效率，降低成本，减少污染^[2]。

2 换热器强化传热技术

根据换热设备在工业领域中重要性以及使用的广泛性和由于能源短缺所迫切需要的节能技术，使强化传热技术的开发与使用变的尤为重要，社会上的各种各样的强化传热技术发展起来^[3]。

根据传热设备所使用的环境，经济，换热过程等因素，所适用的传热技术也有所不同，如对换热器换热能力的提高，减小换热器能源的消耗，减小换热温差，换热设备材料的选择等^[4]。

4 管程强化传热分析

4.1螺纹管换热器

这是一种利用先进的换热技术和不锈钢材料制造而成的新型换热器，这种螺旋螺纹管换热效率高，重量较轻，体积较小，使用寿命长等优势已经得到用户的青睐，得到了广泛的使用^[5]。

螺旋螺纹管换热器采用层与层之间反向缠绕，这种结构设计改变了流体的流动状态，能够在壳体使流体形成湍流，加强了管内螺旋流动，加强了传热效果，使换热系数得到提高。

4.2 针翅管换热器

针翅管换热器的换热元件结构简单，便于加工，因为针翅管具有一定的倾角，所以可以使换热管获得更大的传热面，同时能使管间距保持不变^[6]。因此，针翅管换热器强化管外是高粘度油类的传热效果是十分显著的。

针翅管换热器强化传热的机理就是利用流体的湍流使流体的最外层不断被破坏，从而能够提高传热系数，针翅管也采用了连续性的拓展表面，管束与针翅采用了同一种的材料使接触阻热能够消除，也使传热系数得到提高。

4.3 波纹管换热器

波纹管换热器中的波纹管是采用特殊的不锈钢材料，卷压成光滑的薄壁圆管，然后将圆管组装，最后经过特殊工艺制成凸型的多层波纹管，在波纹管内流动的流体呈等直径束和弧形流束的形式，使流速和压力不断地变化，强烈的扰动冷热流体，从而实现强化换热^[7]。

新型的不锈钢波纹管具有较强的传热性能，能够适应较大的温度变化，也可以防止管束内结垢，具有自动除垢的能力，波纹管的多层设计使它具有较高的抗压能力，换热效率也高于普通列管式换热器^[8]。

4.4缩放管换热器

缩放管是由收缩段和扩张段交替组成的波形管道^[9]，在缩放管的扩张段，流体的流速下降使流体的静压能增大，在收缩段的流体流速上升使流体的静压能增大，流体在反复改变的轴向压力作用下，扩张段的产生的能量被收缩段所利用，使边界层的传热得到有效的强化，使换热器得到强化传热^[10]。

4.5三维内肋管换热器

三维内肋管换热器中的管束是通过机床加工光滑内壁，使内壁的表面挤压出许多的齿状肋片，这种齿状肋片就是作为这种换热器的传热元件，加强了换热器的换热面积，肋片增加了流体流动的扰动，流体在肋片周围会形成加速，形成周期性的振动，从而提高了换热器的换热系数，提高三维内肋换热器的传热效率^[11]。

5 壳程强化传热分析

5.1 微气泡技术强化传热

微气泡技术是利用气液介质之间在密度和粘度方面的差异，在换热器壁面边界喷射连续不断的微小气泡使气液两相得到碰撞混合，隔离壁面与部分流体，以气液的分隔面代替固液的分隔面，能够减小摩擦阻力增加流体的湍流程度可以达到强化传热的作用。

微气泡法强化传热使将微气泡聚集在壁面的边界层上，使壁面的空隙率变高，因为壁面之间的距离增加使得空隙率减小，如果将换热管的外壁面制成凹型的表面可以使流体的减阻技术和微气泡技术得到结合，可以改善壳体的流体情况，提高换热器的强化传热^[12]。

5.2 高低双螺旋片强化换热

利用高低双螺旋片强化在壳侧的传热对现在的制药，化工等领域有极其重要的意义，假如壳侧的热阻较大时，利用这个热阻可以大幅度的提升换热器的整体传热，当换热器中有某种化学反应时，需要严格的控制流体的温度，这就需要壳侧具有一定的传热能力和导出热量的能力，目前常用的方法就是用异型内管或在内管外壁增加翅片^[13-14]，其中，在管外增加螺旋翅片不但能提高了传热效率，而且还在增加了传热面积。

高低双螺旋片是采用不同高度的螺旋隔板，在高螺旋翅片的中间安装不同高度的低螺旋翅片，隔板高度在1/2到3/4螺距时的传热性能最佳，在实验数据中发现，这种双螺旋片强化传热的效率要比单一的螺旋翅片的传热效率要好，然而低螺旋片的高度要高于高螺旋片一半的高度时，传热效果才会更好^[15]。

5.3 三叶孔板换热器

在核电站的设备中，换热器占有极其重要的地位，而核电站中的换热器多为结构简单而又牢固的管壳式换热器^[16]，但由于折流板的影响，壳程中会产生横向压力，会使换热器产生诱导振动^[17]，不仅危害了换热器的寿命，而且降低了换热器的安全性。

三叶孔板式的换热器在流体经过三叶孔时，流体会产生射流，产生的射流和流过三叶孔板的流体流动会使壳程得到强化传热。在流体的流动的过程中，最开始时会因为三叶孔板的阻挡会使流体的流速变低，但在经过三叶孔板的时候，由于流体流通面积的减小，会使流体的流速迅速上升，进而产生射流，可以使流体与壁面的接触更为紧密，加强了流体的流动速度，换热器的传热效率也得到加强^[18]。

5.4 螺旋曲肋面强化传热

换热器的矩形通道内设置螺旋面肋用来提高换热器的强化传热的能力，利用Fluent仿真软件来进行数值模拟，分析在不同的结构参数(迎流攻角、螺旋角度、肋横向间距 ,肋纵与肋宽向间距比和排列方式)下，通道内流体阻力以及螺旋面肋对换热器传热性能的影响^[19]。采用试验优化螺旋面肋的结构参数设计，来确认螺旋面肋的最佳结构参数，并测试在该结构参数下换热器的换热性能。当数值模拟与实验结果的排列方式为叉排时，换热器的换热性能最好^[20-21]。而且，实验测出优化型换热器的表面总换热系数和压降比普通型都有提高。

6 新型强化传热分析

换热器的性能要求主要包括传热系数高，压力损失低，紧凑度高^[22],拥有这三个性能要求，换热器就可以达高的热回收率，消耗少量的机能，使用少量金属，低成本，低售价，占地面积少，在加工，运输，安装等方面也比较便捷，得到小投入，高回报的效果^[23-24]。一般的换热器都是间壁式的热量通过几个在壁面之外的热流体或热气体来提供的，壁面面积的大小决定了与热气体和温度的关键因素，如果想要增加预热气体量，就需要增加换热面积，假如想要增加一倍的气体量，换热面积也需要增加一倍，但如果想要增加预热温度100℃换热面积也需要增加一倍，提高预热温度的程度更为剧烈^[25]。所以换热器大多体积庞大，不方便进行制造，运输和安装，也使换热器受到了气体流速和壁面厚度的影响，虽然经过努力，但间壁式换热器仍然发展缓慢。

3 总结

通过对换热器强化传热知识的学习与整合，感受到了强化传热技术对于现代工业的重要性，在现代工业的生产工作中，强化传热技术可以实现提高生产力，节约能源，降低污染等作用，在如今的社会环境中，节能减排与保护环境已经成为重中之重，是我国工业发展的首要方向，而强化传热技术使对于我们国家有效利用能源提供一个很好的助力，将成为我国发展的重要目标之一。

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