2.6 強化傳熱和場協(xié)同原則強化傳熱技術場協(xié)同原則2025/6/232.6.1

強化傳熱技術熱質交換過程與設備.第二章

傳熱強化是以改善傳熱性能為目標的一個專門技術領域。它的任務就是為了促進和適應高熱流，以達到用最經(jīng)濟的設備來傳輸特定的熱量，用最有效的冷卻來保護高溫部件的安全運行，以及用最高效率來實現(xiàn)能源的有效利用。正因為如此，傳熱強化在工業(yè)生產(chǎn)中有著十分廣泛的應用，起著重大的、有時甚至是關鍵性的作用。例如，空調工程中處理空氣的表冷器，其兩側的流體通常是冷凍水或制冷劑和濕空氣，由于兩者的換熱系數(shù)不同，所以根據(jù)傳熱強化方法，一般在空氣側加裝各種形式的肋片，如圖2-12所示。2025/6/232.6.1

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圖2-12(a)所示是將銅帶或鋼帶繞在管子上，使它們的間隙盡可能的小，制成了皺褶式繞片管。皺褶的存在既增加了肋片與管子間的接觸面積，又增加了空氣流過時的擾動性，因而能提高傳熱系數(shù)。但是，皺褶的存在也增加了空氣的阻力，而且容易積灰，不便清理；為了消除肋片與管子接觸處的間隙，可將這種換熱器浸鍍鋅、錫等金屬。浸鍍鋅、錫還能防止金屬生銹。有的繞片管不帶皺褶，它們是用延展性好的鋁帶繞成，見圖2-12(b)所示。將事先沖好管孔的肋片與管束連在一起，經(jīng)過脹管之后制成的是串片管，見圖2-12(c)所示。2025/6/232.6.1

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用軋片機在光滑的銅管的外表面上直接軋出肋片，便制成了軋片管，見圖2-12(d)所示。由于軋片管的肋片和管子是一個整體，沒有縫隙，所以傳熱性能更好；但是，軋片管的肋片管的肋片不能太高，管壁不能太薄。除此這外，使用在多工位連續(xù)沖壓、拉伸、翻邊、再翻邊的方法，可得到二次翻邊肋片，如圖2-12(e)所示。用這種肋片制成的換熱器有更好的傳熱效果。2025/6/23(a)皺褶繞片(b)光滑繞片(c)串片(d)軋片(e)二次翻邊片圖2-12換熱器用的各種肋片形式2025/6/232.6.1

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此外，為了進一步提高傳熱性能，增加氣流的擾動性以提高外表面的換熱系數(shù)，近年來還發(fā)展了其它的肋片片型，如波紋型片、條縫型片、百葉縫型片和針刺型片等。研究表明，采用上述措施后，可使空調工程中所用的表冷器的傳熱系數(shù)提高10％－70％。又如，房間空調器用換熱器的技術進步，主要是傳熱強化。其理由是：節(jié)能是標志空調器質量好壞的重要指標。目前，房間空調器性能指標的提高，主要是依靠制冷壓縮機的性能提高和換熱器的性能提高來實現(xiàn)。換熱器強化后，使空調器的傳熱溫差縮小，制冷循環(huán)的外部不可逆損失減小，從而使空調器的能效比提高，達到了節(jié)能的目的。2025/6/232.6.1

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關于傳熱強化技術的最早文獻可以追溯到1861年焦耳發(fā)表的關于冷凝器水側換熱強化的實驗報告。在此之后的90年里，由于工業(yè)生產(chǎn)對傳熱強化的要求不十分迫切，因而這方面的研究進展緩慢。從上世紀50年代中期以后，面對能源短缺，為降低成本減少功耗，人們對傳熱強化研究的興趣越來越關注。到了60年代，傳熱強化研究開始蓬勃發(fā)展，有關文獻大量發(fā)表，一批新型的、高效和實用的強化技術申請了專利，到了七十年代，由于世界性能源危機，傳熱強化技術的研究和應用達到了第一個高潮，每年的文獻和專利達150~200篇左右。這種繁榮的研究景象一直持續(xù)至今。2025/6/232.6.1

強化傳熱技術熱質交換過程與設備.第二章現(xiàn)在，傳熱強化已成為傳熱學研究和發(fā)展中的一個極為重要的組成部分，每年可檢索到的有關文獻穩(wěn)定在400多篇，約占傳熱研究文獻總數(shù)的10%以上。縱觀其發(fā)展，自始至終有著明確的目標和廣泛的應用背景，表現(xiàn)出高速度、實用性及不斷迎接高技術發(fā)展的挑戰(zhàn)等三個突出特點。現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展和能源的嚴重短缺對傳熱強化不斷提出新的要求，使得研究深度和廣度日益擴大并向新的領域滲透和發(fā)展，甚至成為某些高新科技中的關鍵。2025/6/232.6.1

強化傳熱技術熱質交換過程與設備.第二章1）傳熱強化技術的分類傳熱強化的方法繁多，其目的主要是提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和確保設備的安全性。眾所周知，熱量輸運一般通過導熱、對流或輻射三種方式來實現(xiàn)。顯然，傳熱強化技術的研究和發(fā)展也要從這三種傳熱過程的增強來進行，而其中涉及面最廣和研究得最多的是對流換熱的強化。

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導熱過程的強化技術通常表現(xiàn)為選用或者添加較高導熱系數(shù)的材料和降低不同材料之間的接觸熱阻。高導熱材料一般采用純銀、純銅、純鋁等金屬，或者采用具有導熱特征的熱管元件。此外，近年出現(xiàn)的一種極強導熱能力的新型納米材料碳纖維在微尺度領域的導熱強化中得到廣泛應用。降低接觸熱阻的一般方法有三種：一、提高表面光潔度或物體間壓力以增加接觸面積；二、在接觸面之間充填導熱系數(shù)較高的氣體（如氦氣）；三、在接觸表面上用電化學方法添加導熱涂層或加軟金屬墊片。2025/6/232.6.1

強化傳熱技術熱質交換過程與設備.第二章相比于導熱強化，對流換熱強化技術要豐富得多。最為人們接受的是Bergles提出的分類方法，即無源技術（PassiveTechnology）、有源技術（ActiveTechnology）和復合強化（CompoundEnhancement）。如表2-4所示，無源技術指除了輸運流體的功率消耗外不再需要其它的附加動力，而有源技術則是指強化的實施必須依靠外部的機械力或電磁力等其它力的幫助。此外，兩種或兩種以上的強化技術會同時應用以期獲得更好的傳熱效果，被稱為復合強化。這些換熱強化技術已經(jīng)相當成功的用在管殼式換熱器，板式換熱器和板翅式換熱器中。多年來對流換熱強化技術的研究范圍不斷擴大，研究深度也日益增加，它在工業(yè)中得到了廣泛的應用，相應的強化機理和技術研究在我國也得到了蓬勃發(fā)展。2025/6/23表2.4對流換熱強化技術的分類分類強化處理具體方法無源技術處理表面粗糙表面擴展表面擾流元件旋流元件螺旋面表面擴張器添加物換熱表面處理成多孔表面或鋸齒形表面；表面粗糙元的微觀結構幾何尺寸比處理表面大，但與通道的幾何尺寸比還是十分微小；翅片幾何尺寸比粗糙元要大得多，目的是增大換熱面積；流動通道中放置擾流物，加強流體混合；流動通道匯總放置扭曲帶、螺旋葉片等，使層流流動中產(chǎn)生強烈的渦動；彎曲或扭曲流動通道本身，促使流體產(chǎn)生二次流動；換熱表面的某些特殊結構，如多空結構；流體中加入特殊的添加劑2025/6/23分類強化技術具體方法有源技術機械攪動表面振動流體振動電磁場噴注或抽吸射流沖擊各種形式的攪拌釜，促使流體產(chǎn)生旋轉；電力振動器或者技術轉動偏心裝置；脈動閥門或空氣脈動器在交流和直流的強電（磁）場影響下，改變流體的運動規(guī)律在傳熱壁面上噴注或抽吸液體；通過圓形或狹縫噴嘴直接將流體噴射到傳熱表面復合強化2種及其以上的強化技術混合在一起表2.4對流換熱強化技術的分類2025/6/232.6.1

強化傳熱技術熱質交換過程與設備.第二章此外，Bergles

還把幾十年來發(fā)展的各種傳熱強化技術按“代”來進行分類和歸納（見表2-5）。所謂第一代傳熱技術，是指最初的無翅片的光滑管中的流體和固壁傳熱；第二代傳熱技術，也就是第一代傳熱強化技術，是指具有平翅片的強化表面。目前正向第四代傳熱技術即第三代傳熱強化技術發(fā)展。2025/6/23表2.5 傳熱技術的發(fā)展傳熱技術應用實例第一代傳熱技術無翅片的裸管第二代傳熱技術（第一代強化傳熱技術）平翅片第三代傳熱技術（第二代強化傳熱技術）具有縱向渦發(fā)生器的翅片第四代傳熱技術（第三代強化傳熱技術）在電場作用下的有渦發(fā)生器的翅片2025/6/232.6.1

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每種具體強化技術都被與之相對應的強化機理所解釋，隨著對強化機理認識的增加，同時也加深了對傳熱規(guī)律的理解。對于第一代強化傳熱技術即翅片，根據(jù)牛頓冷卻定律，其強化機理可以被認為是在低換熱系數(shù)一側的流體中增加了傳熱表面積。而隨著邊界層理論的建立和在流動和傳熱的應用，人們認為錯置的翅片的強化作用是通過減薄邊界層來實現(xiàn)的。擾流和旋流元件、機械攪動和表面振動器以及電（磁）場等可被統(tǒng)一認為是改變了流體的流動特征，從而加強了傳熱介質之間的摻混或混合程度，或者在湍流對流換熱中破壞了邊界層。2025/6/232.6.1

強化傳熱技術熱質交換過程與設備.第二章另外，近20年來隨著計算機科學技術和近代數(shù)學的發(fā)展，數(shù)值傳熱學得到了飛速的發(fā)展，人們對傳熱現(xiàn)象的認識更為便利。當問題本身遵循的規(guī)律比較清楚，所建立的數(shù)學模型比較準確并為實踐證明能反映問題本質時，數(shù)值模擬具有較大的優(yōu)越性。這是因為數(shù)值模擬具有耗費少，時間短，省人力等優(yōu)點，便于優(yōu)化設計。在給定參數(shù)下用計算機對現(xiàn)象進行一次數(shù)值模擬相當于進行一次數(shù)值實驗，而且能模擬比較復雜和理想的過程，比實驗研究更自由、更靈活，能對實驗難以量測的量做出估計，比如可控反應堆溫度分布、航天飛機飛行和返回時的復雜流場溫度場等。數(shù)值實驗能提供詳細和完整的數(shù)據(jù)，為提高人們對物理現(xiàn)象的認識提供可能。2025/6/232.6.1

強化傳熱技術熱質交換過程與設備.第二章由于數(shù)值模擬的優(yōu)越性，數(shù)值傳熱學得到越來越廣泛的應用，與理論分析，實驗研究結合起來成為研究強化傳熱問題理想和有效的手段，很大的促進了對強化傳熱機理的研究和認識。目前在對流換熱強化中，研究人員通常是針對某種具體的強化技術，并在較大范圍內變動其中的參數(shù)以便最大可能地覆蓋更多具有不同特征的流態(tài)。然后，依靠數(shù)值計算或實驗來獲得流場溫度場等詳細信息，分析其強化性能和強化機理。2025/6/232.6.1

強化傳熱技術熱質交換過程與設備.第二章例如對于翅片強化研究，研究人員一般是針對各種形狀的翅片（如板形、針狀和鋸齒形等），依靠實驗或數(shù)值計算去分析或優(yōu)化不同參數(shù)下（如高度、直徑、間距和布置方式等）的翅片阻力和傳熱性能，并從中擬合成經(jīng)驗關聯(lián)式以便指導不同使用場合下的同類翅片的設計和性能分析。2025/6/232.6.1

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同時隨著強化傳熱技術的發(fā)展和對強化機理認識的提高，強化傳熱的評價標準也不斷發(fā)展。在傳熱強化研究的初期，人們只關心傳熱系數(shù)的提高，所以強化前后Nu

數(shù)的比值成為早期的評價準則。隨后發(fā)現(xiàn)阻力系數(shù)隨傳熱系數(shù)的提高而迅速增加，于是被用來評價傳熱強化方法的準則，其中是強化前后阻力系數(shù)之比。這個準則同時考慮了傳熱的強化及隨之而來的阻力增大，準則數(shù)越大，則強化性能越佳。2025/6/232.6.1

強化傳熱技術熱質交換過程與設備.第二章但是從相同輸送功率下傳遞熱量大小的觀點來看，PEC（PerformanceEvaluationCriteria，）作為強化傳熱的評價準則較為合適。它大于1時表明在同樣輸送功率下，強化管傳遞的熱量比光滑管多。Kays

和London提出用j-f

因子來分析換熱器性能也是一種常用的方法。傳熱因子代表了取得的換熱性能，阻力系數(shù)f代表流體流動的阻力代價。2025/6/232.6.1

強化傳熱技術熱質交換過程與設備.第二章2）幾種典型的強化換熱管介紹

螺旋槽管

螺旋槽管(spirallycorrugatedtube)，如圖2-13所示，是將光管通過滾壓，使管外表面成型為螺旋凹槽以及管內表面相應成型為螺旋突起的一種強化換熱管。當流體在螺旋槽管內流動時，在軸向周期性突起的作用下，流體產(chǎn)生周期性的擾動。管內螺旋突起也使流體獲得部分旋轉，有利于減薄邊界層。由于螺旋槽管的螺旋角一般較小，前者作用大于后者，故螺旋槽管管內單相流體換熱的強化機理主要為周期性的擾動和破壞湍流邊界層。2025/6/232.6.1

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國內外有許多學者和工程技術人員對螺旋槽管進行了大量的研究工作，但由于研究者所研究的螺旋槽管的材料、加工方法、結構參數(shù)、實驗條件等不同，其結果也不盡相同，有時甚至相差較大。盡管如此，通常認為螺旋槽管的強化換熱效果較好，但阻力增加也較大。螺旋槽管在能源、石化等領域有相當廣泛的應用，特別是在水-汽換熱、空氣預熱器等方面已取得相當好的應用效果。2025/6/232.6.1

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螺旋凹槽管

螺旋凹槽管(spirallyflutedtube)如圖2-14所示，是近十年開發(fā)的一種新型強化換熱管，主要用于制冷和空調工業(yè)。實驗研究結果表明，螺旋凹槽管對低Re的換熱強化有明顯效果，而對高Re的換熱強化不大。2025/6/232.6.1

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內翅管內翅管(internallyfinnedtube)如圖2-15所示，主要用于制冷工業(yè)中的單相對流換熱和相變換熱的強化，特別是微內肋管（microfintube）已得到了廣泛的應用。微內肋管一般是采用具有優(yōu)良塑性的銅材經(jīng)冷加工而成。其翅化比可達1.4-1.7。研究者曾對15種同結構參數(shù)的內翅管管內單相對流換熱和阻力特性進行了實驗研究，實驗為水與R12換熱，管內為水被冷卻而管外為R12沸騰，實驗研究結果表明，其換熱強化效果顯著而流阻增加與換熱增強相當。內翅管管內單相對流換熱強化的機理是，翅的擾流強化和換熱表面積的增加，兩者對換熱的貢獻大致相當。2025/6/232.6.1

強化傳熱技術熱質交換過程與設備.第二章內翅管有幾點不足之處：（1）翅表面易于結垢，因此只能應用于潔凈介質的換熱。而制冷業(yè)通常能滿足介質潔凈的要求，這是內翅管在該行業(yè)得到廣泛應用的原因。但在大多數(shù)換熱場合，其換熱介質不能滿足介質潔凈的要求，如石化、能源等領域，則難以應用該項強化技術；（2）其冷加工工藝要求管材具有良好的塑性（主要為銅材），因而其應用受到限制；（3）主要適合于湍流換熱強化，而對層流和過渡區(qū)流動換熱的強化要遜色得多。2025/6/232.6.2

場協(xié)同原則熱質交換過程與設備.第二章

從上文對強化機理的分析可以發(fā)現(xiàn)，目前雖然各種傳熱強化技術得到了廣泛的應用，由于更多的是直接面向工程應用，它們通常表現(xiàn)為一種針對具體技術的歸納和驗證，并只是適用于一定范圍的經(jīng)驗關聯(lián)式的研究過程，相關的研究內容基本上仍停留在經(jīng)驗的基礎上，而對于強化傳熱技術的機理分析目前仍處于定性階段。因此Bergles和Webb指出，目前雖然理論及數(shù)值描述上有了很大的進步，但從目前的研究狀況而言，強化傳熱技術至今基本上仍然是一門實驗科學，而缺乏對其內在物理機制理論上深入的研究與探討。為了對傳熱現(xiàn)象有更深入的理解以及改進和發(fā)展一系列新的傳熱控制和強化方法，研究人員一直堅持不懈的努力，并在傳熱強化理論研究方面也取得了長足的進展。2025/6/232.6.2

場協(xié)同原則熱質交換過程與設備.第二章

過增元從傳熱過程的能量方程出發(fā)重新審視了熱量輸運的物理機制，把對流換熱比擬為有內熱源的導熱過程，并指出“熱源”強度不僅決定于流體的速度和物性，而且取決于流速與熱流矢量的協(xié)同。流動的存在可以強化換熱，也可以并無實質貢獻，甚至能減弱換熱。以二維層流邊界層為例，其直角坐標系下的能量方程為(2-6-1)2025/6/232.6.2

場協(xié)同原則熱質交換過程與設備.第二章把對流換熱能量方程(1-1)式中的對流項比擬為內熱源，于是對流換熱問題可作為有內熱源的導熱問題來處理，所不同的是此熱源是流場的函數(shù)而已。對方程(1-1)積分可得傳熱強化研究最關心的壁面處的熱流，（2-6-2）

其中是熱邊界層厚度。上式表明，熱源項在積分域內的總和（即源總強度）就等于壁面熱流密度，也就是說只要設法提高總源強度就能強化傳熱，反之則可削弱換熱。2025/6/232.6.2

場協(xié)同原則熱質交換過程與設備.第二章引入無量綱變量

把式（2-6-3）代入式（2-6-2）可以得出下面的無量綱關系表達式（2-6-3）（2-6-4）2025/6/232.6.2

場協(xié)同原則熱質交換過程與設備.第二章其中，、和Pr分