提高換熱器的傳熱係數，你學會了嗎？

傳熱係數跟什麼有關

改變流體的流動情況

(1)增加流速

增加流速可改變流動狀態，並提高湍流脈動程度。如管殼式熱交換器中管程、殼程的分程就是加大流速、增加流程長度和擾動的措施之一。管內湍流時增加流速對增強傳熱能收到較顯著的效果，但又須注意增加流速也受到各種因素的限制。因此，在設計或實際使用中應權衡各種因素，選擇最佳流速或為流體輸送機械所允許的流速。

(2)射流衝擊

這是使流體透過圓形或狹縫形噴嘴直接噴射到固體表面進行冷卻或加熱的方法。由於流體直接衝擊固體壁面，流程短而邊界層薄，所以對流換熱係數顯著增大。在用液體射流衝擊加熱面時，如熱流密度已高至足以產生沸騰，則就成為兩相射流衝擊換熱。實驗表明，此時不但可提高沸騰換熱係數，而且可使燒燬點推遲，顯著提高臨界熱流值。

(3)加插入物

在管內安放或管外套裝如金屬絲、金屬螺旋圈環、盤狀構件、麻花鐵、翼形物等多種型式的插入物，可增強擾動、破壞流動邊界層而使傳熱增加。如用薄金屬條片扭轉而成的麻花鐵擾流子插入管內後，使流體形成一股強烈的旋轉流而增強換熱。插入時若能緊密接觸管壁，則尚能起到翅片的作用，擴充套件傳熱面。大量的試驗研究表明，加插入物對受迫對流換熱等有顯著增強的作用，但也會產生流動阻力增加、通道易堵塞與結垢等執行上的問題。在使用插入物時應沿管道的全段流程，以保持全流程上的強化傳熱。而且，在選擇插入物的形式時，應考慮到在小阻力下增強傳熱。

(4)加旋轉流動裝置

旋轉流動的離心力作用將使流體產生二次環流，因而會強化傳熱。上述的某些插入物，如麻花鐵、金屬螺旋絲等，除其本身特點外，也都能產生旋轉流動。在此要提及的是一些專門產生旋轉流動的元件或裝置。例如，渦流發生器，它能使流體在一定壓力下以切線方向進入管內作劇烈的旋轉運動。研究表明，渦旋強化傳熱的程度與雷諾數有關。在一定的熱源溫度下，對流換熱係數隨著Re值而增加，且將達到某一個最大值然後下降。在應用上應控制實際的Re值接近於使對流換熱係數達最大時的臨界Re值，以充分利用旋轉流動的效果。除了流體轉動外，也有傳熱面轉動的情況，當管道繞不同軸線旋轉時利用其離心力、切應力、重力和浮力等所產生的二次環流可促使傳熱強化。管道旋轉對層流放熱的強化效果顯著，而湍流時效果不明顯。過冷沸騰與大空間沸騰的試驗表明，對於帶有螺旋斜面和切向槽渦流發生器的管道，可使沸騰換熱係數或臨界熱負荷得到提高。

(5)依靠外來能量作用

大體上有三方面措施：①用機械或電的方法使傳熱表面或流體發生振動或透過攪拌使流體很好地混合。試驗表明，振動對於自由流動換熱、受迫流動換熱均有一定效果。對於沸騰換熱的效果不明顯，但在流體振動時對於旺盛的大空間沸騰，可使臨界熱負荷顯著提高。此法對大型換熱裝置，在具體應用上有一定困難。利用機械傳動帶動攪拌器，透過流體的良好混合來強化對流換熱，效果顯著，故應用較廣，尤其對於高黏度的流體。②對流體施加聲波或超聲波，使之交替地受到壓縮和膨脹，以增加脈動而強化傳熱。綜合各研究者試驗研究結果顯示出，對於液體或氣體，只有處於管內層流或過渡流時，聲波作用才較明顯。對於大空間泡狀沸騰的換熱影響極微，而對於過渡沸騰或膜態沸騰的換熱改善較為顯著。對於凝結換熱及自由流動換熱均有一定效果。在聲波強化措施的

實用

中，要注意解決如何更有效地將聲振動或超聲振動傳送至換熱裝置內部的問題。③電磁場作用。對於參與換熱的流體加以高電壓而形成一個非均勻的徑向電場，這樣的靜電場能引起傳熱面附近電介質流體的混合作用，因而使對流換熱加強。試驗表明對於自由流動換熱、膜狀沸騰換熱、凝結換熱的強化效果均較顯著。如果在流體中摻入磁鐵粉，則即使在較大的Re數下，磁場也能對換熱起強化作用。如，在水或油中摻入磁鐵粉，在磁場的作用下，可使換熱係數提高50%以上。

改

交流體的物性

流體的物性對對流換熱係數有較大的影響，一般導熱係數與容積比熱較大的流體，其換熱係數也較大。例如冷卻裝置中用水冷比風冷的體積可減小很多，因為空氣與壁面間的α值在1～60 W/（m2·℃）範圍內，而水與壁面間的α值在200～12000 W/（m2·℃）範圍內。改變流體某些效能的另一種方法是在流體內加入一些新增劑，這是近二三十年來形成的新增劑強化傳熱研究的新課題。新增劑可以是固體或液體，它與換熱流體組合成氣-固、液-固、汽-液以及液-液混合流動系統。

改交換熱表面情況

換熱表面的性質、形狀、大小都對對流換熱係數有很大影響，通常可透過以下方法增強傳熱：

(1)增加壁面粗糙度

增加壁面粗糙度不僅有利於管內受迫流動換熱，也有利於沸騰和凝結換熱及管外受迫流動換熱。同樣的粗糙度在不同流動及換熱條件下，對傳熱效果的影響是不同的。增加粗糙度也會帶來流動阻力的增加，在工業應用中應予考慮。

(2)改變換熱面形狀和大小

為了增大對流換熱係數，亦可採用各種異形管和表面開槽等，如橢圓管、螺旋管、波紋管、變截面管及縱槽管等。橢圓管在相同截面積下當量直徑小於圓管，故換熱係數大。其他異形管除傳熱面積略有增大外，由於表面形狀的變化，流體在流動中將會不斷改變方向和速度，促使湍流程度加強，邊界層厚度減薄，故能加強傳熱。對低肋螺紋管，在凝結換熱時還具有減薄冷凝膜的作用，對於有機工質的冷凝（氟利昂等）用低肋螺紋管很有利。在低肋管基礎上發展而成的微細肋管，則更有利於氟利昂等低沸點有機介質的冷凝換熱，如日本的C管，我國的DAC管。對於垂直凝結時，如使用縱槽管，則由於液體的表面張力把波峰處凝液拉入波谷，在波峰處形成極薄凝液膜，而波谷又排洩凝液，故使凝結換熱強化。

(3)改進表面結構

對金屬管進行燒結、電火花加工或切削，使之管表面形成一層很薄的多孔金屬層而構成多孔管，可以增強沸騰和凝結換熱。如：用於沸騰換熱的美國的高熱流管，日本的E型管，德國的T型管，我國的DAE管等。此外還有，如在沸騰換熱液體中，把一塊多孔物體置於加熱表面上，靠透過這種多孔加熱面連續地移走蒸汽，即所謂“吸入”的辦法，因而使膜狀沸騰換熱得到改善。

(4)表面塗層

在凝結換熱時，可在換熱表面塗上一層表面張力小的材料，如聚四氟乙烯等以造成珠狀凝結，有利於增大換熱係數。對於沸騰換熱，可根據受熱液體的

物性

，在加熱面上塗以適當厚度的某種物質的薄膜，使之成為非潤溼表面，則可明顯提高沸騰換熱係數。在太陽能利用中，在集熱器的吸熱表面上塗以選擇性物質薄層，以提高其對太陽光的吸收率和降低其發射率，達到增強對輻射熱的吸收和減少輻射熱損失的目的。