1、 作者简介： 1.陈立伟（1980-），男，湖北松滋人，从事冷库工程设计工作。Tel：021-69956215， Email：YM_SH_HQ， 2.姜长红（1980-），女，江苏泗阳人，硕士，从事食品冷冻冷藏研究。Tel：021-65711430，Email： 强化传热新技术 陈立伟1，姜长红2 1.盈鸣实业（上海）有限公司技术部，上海 201802 2.上海海洋大学食品学院制冷及低温工程系，上海 200092 摘 要 管内强化传热技术是多年来受到高度重视的具有重要理论意义和经济价值的科研课题。本文综述了国内外强化传热技术理论研究和应用研究的发展与现状，探索强化传热机理从而达到强化传热的效
2、果。 关键词 对流传热；场协同理论；强化技术；热传递；换热技术 Heat Transfer Enhancement Technology CHEN Li-wei1, JIANG Chang-hong21. Department of Technology, YM INDUSTRIAL (SHANGHAI) CO., LTD., Shanghai 21802, CHEN Li-wei 2. Department of Refrigeration and Cryogenic Engineering, Shanghai Ocean University, Shanghai 200092, JIANG
3、 Chang-hong Abstract： Heat transfer enhancement technology in and out of tubes which has been paid highly attention to for many years possesses vital academic sense and economic values. Progress of theoretical research and application investigation on heat transfer enhancement technology was describ
4、ed in this paper. Seeking after its mechanism of enhancement heat transfer so as to attain the enhancement effects. Key words： convective heat transfer; field synergy principle;enhanced technology; heat transfer;regenerative technology 1 前言 在我国加入 WT0 以后，能源作为战略问题面临着更多的挑战与发展机遇，无论从哪方面来讲，我们都应该把节约放在首位。目前
5、我国能源供应面临十分严峻的形势，尤其是在我国实施新工业化、大力发展制造业的形势下，节能更应比增加能源供应优先考虑，要把节约资源作为基本国策，确立节能的重要战略地位1。 对流换热的强化不是一个新的课题， 早在 19 世纪末， 人们就开始关注传热强化的研究，但是由于当时的工业生产水平对传热强化的要求不是很迫切，所以对于强化传热的研究基本上属于实验科学，还很不成熟，相应的传热技术属于第一代2。 强化换热是世界能源研究的重要课题，被称为“第二代传热技术”。强化换热方式多样，就单相流体而言，有源强化包括：流体的振动、搅拌、脉电和电晕风等；无源强化包括粗糙表面、内肋片、缩放管、螺纹管、螺旋槽管和内插件等。
6、考察各种强化换热方式的机理，大多是通过扩展传热表面，扰动主流体，扰乱、破坏、减薄边界层等方面来增强传热的3。 基于对不同强化换热方式的比较,发现不同的强化方式适合于不同的工质和工况要求。因此，必须合理选择强化换热方式。通过分析比较表明：有源强化对自然对流和层流有较好强化效果。而对紊流流动时的对流换热基本上无强化效果3。 所谓第三代传热技术，包括传热传质过程控制和复合强化技术。复合强化技术就是同时应用两种或两种以上的强化措施以期获得更好的传热强化效果。正在发展的第三代传热技术，已经取得了可观的节能效益，但存在着的一个普遍问题是传热强化的同时，阻力损失也增加很多，因此阻碍了很多高效强化技术的实际应
7、用2。 2 强化传热 在现代科学技术的许多领域，如动力、冶金、石油、化工、材料、制冷以及空间、电子、核能等均涉及到加热、冷却和热量传递的问题。换热器是不可缺少的工艺设备，而且在金属消耗和投资方面也占有较大的比例。目前，能源危机越来越突出，开发新能源及余热回收显得特别重要。而在这些工作中，通常都要求采用有效的强化传热措施，以提高传热量来减小换热器的体积和重量。可以说，研究各种传热过程的强化问题，设计新颖的紧凑式换热器，不仅是现代工业发展过程中必须解决的课题，同时也是开发新能源和开展节能工作的紧迫任务4。 强化传热研究的主要任务是改善、提高热传递的速率，以达到用最经济的设备来传递规定的热量，或是用
8、最有效的冷却来保护高温部件的安全运行，或是用最高的热效率来实现能源合理利用的目的。 不同场合对于强化传热的具体要求各不相同，但归纳起来应用强化传热技术可达到下列任一目的：(1)减小换热器的传热面积，以减小换热体积和重量；(2)提高现有换热器的换热能力；(3)使换热器能在较低温差下工作；(4)减少换热器的阻力，以减少换热器的动力消耗。上述目的和要求是相互制约的、要同时达到这些目的是不可能的，因此，在采用强化传热技术前，必须首先明确要达到的主要目的和任务，以及为达到这一目的所能提供的现有条件，然后通过选择比较，才能确定一种合适的强化传热技术。 若从强化的传热过程来分，可分为导热过程的强化、单相对流
9、传热过程的强化、沸腾传热过程的强化、凝结传热过程的强化和辐射传热过程的强化。从提高传热系数的各种强化传热技术来分，可分为有功技术和无功技术，也将其称为有源强化技术和无源强化技术，主动式强化技术和被动式强化技术4。 3 场协同理论 3.1 场协同原理简介 强化传热是国内外传热学界研究的热门课题进入 20 世纪 90 年代以后，强化传热的技术开始由第 2 代向第 3 代发展，并且取得了突出的成绩但是，强化传热的实质究竟是什么，即使对于最简单的单相强制对流换热，文献中也没有一个统一的解释。常见的强化单相对流换热的机理有 3 种，即：减薄热边界层；增加流体中的扰动；增加壁面附近的速度梯度。这些说法都可
10、以解释一些强化换热的技术，但不能解释另一些强化传热的技术。1998年我国学者过增元教授及其合作者对边界层型的流动进行了能量方程的分析，通过将该方程在热边界层内的积分，证明了减小速度矢量与温度梯度之间的夹角是强化对流换热的有效措施。随后，这一分析推广到椭圆型的流动与换热，证明了对于 Prandtl 数不是很小的流体，减小其速度与温度梯度的夹角也是强化椭圆型对流换热的有效措施。这一思想在文献中现称为场协同原理(field synergy principle)。 “协同”就意味着各种相互作用力之间的协调一致。如果将场协同原理推而广之，不难有这样的推测，在更一般的热力、传热和流动相锅台的迁移、传递过程
11、中，如果过程中的一些相互作用能协调一致，也一定能强化其迁移、传递效果5。 “高效节能的关键科学问题” 项目组通过对平板层流边界换热和管内层流换热的分析，提出了传递过程强化与控制的场协同理论。场协同理论将对流换热看作是有内热源的导热问题，热源项的大小决定了对流换热的强度；源项的大小不仅取决于温差、流体的速度和物性，还取决于速度场和热流场协同的程度；流体的流动并不总是能提高热量传递能力，取决于源项中速度矢量和温度梯度夹角余弦的符号，它既可以强化换热，也可以弱化换热。因此改变与控制速度场与热流场的协同程度就可以控制对流换热的强度6。 对流换热强化的场协同理论与传统的强化技术不同，从能量方程出发，把对
12、流换热比拟为有内热源的导热问题，从而提出了速度场与热流场的协同在不增加阻力损失条件下能显著强化换热，具有很好的节能效果。场协同理论不仅适用于层流换热，而且适用于紊流换热。从而将层流换热提出的场协同理论发展到紊流换热7。 3.2 在场协同理论基础上所发展的传热强化技术 从速度场与热流场的协同可预示对流换热的极限情况，上限是速度与热流向量平行且同向，此时努谢尔数与雷诺数成正比；若速度与热流垂直，对流换热与纯导热无异，Nu=1。 对于管内紊流对流换热，推导了努谢尔数与局域时均参数的关系式，并针对多种截面形状的管内紊流换热进行了数值验证。表明场协同理论不仅适用于层流换热，而且适用于紊流换热。从而将从层
13、流换热提出的场协同理论发展到紊流换热。 从对流换热中的速度场与温度场(热流场)的协同发展到换热器中冷热流体间不同温度场间的协同。其具体表现为换热器的温度场均匀性原则。不管对两股流换热器还是对多股流换热器均表明：换热器的温度场越均匀，其效能越高。在两股流换热器的温度场均匀性因子的基础上，建立了用以评价和优化多股流换热器的多股流温度场均匀性因子。由于多个温度场的协同作用，在某些情况下，将出现混合流(流体间顺流和逆流同时存在)优于逆流布置的情况，甚至出现顺流布置好于逆流布置的现象6。 同时还用热力学优化的方法，通过热导率总量或总传热面积的最优分配和工质与热源间的热容率及温差场最优匹配，将基于部件和设
14、备的场协同理论应用于系统的性能分析与优化6。 1、导热过程（扩散过程）中的场协同理论。根据场协同理论可以得出：当导热系数场与温度梯度场之比处处相对时，热传导能力最强； 2、对流换热过程中的场协同理论。当速度场和温度梯度场两个矢量的夹角为 0 时，对流换热的强度达到最大，反之，传热速率最小，与纯导热相同。根据这一理论，研究了一种周期性的交叉缩放椭圆管结构，可以诱导出 4 个（低雷诺数）或 8 个（高雷诺数）纵向涡，在相同单位泵功耗的情况下其传热强化结果比其他强化管高很多； 3、换热器中的场协同理论。协同场理论指出：当冷热流体的温差处处相同时，换热处于协同工作状态，此时叉流换热器的效能可以达到逆流
15、换热器的效能； 4、交变流场中制冷或者热功转换的场协同理论的应用，取得一些初步结论。最后指出了场协同理论与突变论的不同之处，并指出了场协同理论研究的几个发展方向：交变流动、传热过程中的场协同、湍流流动换热的场协同、热功转换过程场协同以及场协同设计理论的建立等9。 在提高对流换热系数的层面，该理论表述为“速度场与热流场协同程度越好，则越高。在此基础上发展的强化技术有：一次表面多纵向涡技术、温度剖面均匀化技术、流体诱导换热管技术等。 在提高换热器性能的层面，该理论表述为：换热器的冷、热流体温度场间的协同程度越好，效能越高。在此基础上发展的强化换热技术有：流路优化组合技术、传热面积优化分配技术、复合
16、流程技术等3。 3.3 场协同理论的研究成果 在场协同理论基础上所发展的传热强化技术，可望在制冷空调系统中的各类换热设备中获得应用。通过这些新技术可望使各类换热器的效率提高 10%50%8。 与国内外现有相关技术相比，本成果的创新在于： 1、 通过改善场协同所发展的传热强化技术，国内外未见过报道； 2、 一次传热表面形成多纵向涡强化技术，属国内外首创； 3、 传热强化技术与防垢技术相结合，使节能效果更为明显5。 从对流换热中的速度场与热流场的协同发展到换热器中冷热流体间不同温度场间的协同，其具体表现为换热器的温度场均匀性原则。 本成果研制的强化换热管，当 Re5002000 时，单位功耗的换热
17、量是最好的现有强化管的 2.33.8 倍，当 Re=400050000 时，是现有强化管的 1.11.7 倍；研制的换热器与同类换热器相比，传热面积相同时，换热量可增加 2050%，或热负荷相同时，传热面积减少 2050%3。 4 其他的强化换热举例 4.1 EHD(Electrohydrodynamic)强化换热 EHD(Electrohydrodynamic)强化换热就是在换热表面附近施加一电场，利用电场、流场和温度场之间的相互作用以达到增大换热系数的目的。EHD 强化换热的机理非常复杂。到目前为至，人们对 EHD 强化换热的定量研究已进行了 30 多年，发表了不少论文。对于单相层流，EH
18、D 对传热有强化效果，当 Re2300 以后，随着 Re 的增大，EHD 对传热的强化效果减弱，进一步增大 Re到进入旺盛紊流以后，EHD 对传热几乎没有强化效果。沸腾换热和凝结换热是高强度的传热过程，同时属于小温差传热。在旺盛沸腾的条件下，热流密度与流动速度无关，即传热与流动的雷诺数无关，在 050kW的很宽的热流密度范围内，不论沸腾还是凝结，EHD均对传热有强化效果。EHD 强化换热的研究取得了很大进展，但其理论还不成熟10。 采用电场来强化油的流动换热不仅换热强化效果显著，而且摩擦阻力增加较小，综合效果明显。另外，也可以方便的通过调节电场强度实现受控换热。对于自然对流和强制对流换热，电场
19、同样能起到强化作用11。 4.2 管内外气体强化换热技术 西安交通大学陶文铨、何雅玲教授率领的课题组，经过六年多的理论研究、实验验证以及工业应用，在组装式离心压缩机的气体冷却器强化换热以及整体式翅片管气体冷却器的翅片侧强化传热原理、热力设计和计算方法方面，均取得了重要的创新成果，该项成果发展了强化传热的场协同原理，分别在管外以及管内强化传热的设计原理和准则上有所突破，已形成具有完全自主知识产权的新型换热技术，具有广泛的工程应用前景，有的已在工业中获得广泛应用。该成果在强化对流换热的理论方面，在国内外首次从理论上证明了“场协同原理”同样适用于椭圆型数理方程所描述的流动于换热问题，并首次提出了通过
20、增加固体壁面上流体的速度梯度来改善流体速度于温度梯度之间的协同关系推动与促进了强化传热理论的发展；提出了中心被堵、波纹型纵向内翅片的管内强化传热新技术以及翅片表面“前疏后密”的开缝原则，实现了传热系数增加的百分数大于阻力系数增加的百分数，这一成果突破了国内外强化传热研究领域长期以来认为气体传热系数增加的百分数小于阻力增加的百分数的这一传统理论，对先进高效换热器的设计和研制具有重要的指导意义8。 4.3 波纹管降膜蒸发器的强化传热技术 液膜传热也是一种很好的强化传热方式，降膜蒸发为液膜传热的一种形式，目前降膜蒸发设备常用的有板式降膜蒸发器和管式降膜蒸发器两种。为了强化传热、提高传热效率，在平板降
21、膜蒸发的基础上，开发了异形坚板等降膜蒸发器；并对直管式降膜蒸发器进行了改进和大量研究，波纹管降膜蒸发器就是在此基础上发展起来的一种新型强化传热的蒸发设备。 随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严峻，开发、应用高效、节能的换热与蒸发设备具有重要的现实意义。降膜蒸发设备因其具有物料停留时间短、滞流量小、压降小、传热系数高等优点，已被广泛用于化工、海水淡化、医药、食品和造纸等行业。波纹管换热器是在传统列管式换热器的基础上，应用强化传热理论对传统直管的结构进行改进的一种新型换热设备，它继承了列管式换热器坚固、耐用、安全、可靠等优点，同时又克服了其换热能力差、易结垢、清洗费用高等缺点
22、。目前在石油、化工工业得到较广泛使用。但将波纹管应用于降膜蒸发方面的研究尚未见报道，因此，研究波纹管降膜蒸发器的强化传热技术，对节能有着十分深远的指导意义12。 5 结束语 随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严峻，开发、应用高效、节能的换热与蒸发设备具有重要的现实意义。 管内强化传热技术是多年来受到高度重视的具有重要理论意义和经济价值的科研课题。目前常用的强化技术有粗糙表面、扩展表面、径向位移增进器和内插扰流元件等。其机理主要是增强近壁面流体的扰流度，破坏流动边界层，提高流体与壁面温度梯度，减少热阻，大幅度提高换热系数。这些方法都能在不同程度上达到强化传热的效果，但又都存
23、在阻力过高的缺陷，且有的制造安装困难，成本高，检修麻烦。因此，探索强化传热机理，研制新的实用强化传热技术，具有重要的理论意义和应用前景13。 参考文献： 1 李治氓，魏玉文.强辐射传热技术工业加热炉大幅度节能的新方法.成都西华工业炉节能技术公司，研究与应用METAL CHINA 2004特别策划专辑 2 过增元.制冷空调中的强化传热技术.最新制冷空调技术，科学出版社，2002.9:344358 3 教育部科技发展中心.基于场协同理论的传热强化新技术及其应用.清华大学，山东大学 4 李洪亮.强化传热技术及其应用.化工设备与防腐蚀，第5卷第 2期，2002.4 5 陶文铨，何雅玲. 场协同原理在强
24、化换热与脉管制冷机性能改进中的应用(上) .西安交通大学学报，2002.11，第36卷 第11期 6 中国科学技术协会.最新科技动态场协同理论研究的新进展.联合科技网 7 张少方，杨泽亮.管内单相对流强化换热及阻力特性的实验研究. 华南理工大学电力学院, 8 教育部科技发展中心.管内外气体强化传热理论和技术取得成果.西安交通大学科技在线， 2004.12.31 9 李增惠 .香山科学会议第240次学术讨论会综述. 2004.11.911 10 安恩科,姜富明，魏敦崧，陈之航，李瑞阳.EHD强化沸腾换热的模型分析.上海理工大学学报，第23卷第1期，2000.9 11 刘振华，王经，陈玉明.EHD 效应强化管内油的强制对流换热实验.工程热物理学报，2000.11 第 21卷第6期。 12 赵鸿汉，刘根义，李丁，宋继田，高而兰.波纹管降膜蒸发器强化传热技术. 节能技术, 2003.7 第21卷第4期:3334 13 曹玉荣，殷录民，公维平.花丝多孔体内插元件强化管内对流传热的研究. 山东电力技术, 2003（3）
