强化传热技术被誉为第二代传热技术，能够显著改善换热器的传热性能。在实际应用中，强化传热技术是实现换热节能的主要途径之一。强化传热的主要内容是采用强化传热元件和改变壳程的支撑结构，以提高换热效率，实现换热过程的最优化。强化传热的主要目的是缩小设备尺寸、提高热效率、降低流体的输送功率消耗和高温部件的温度以及保证设备安全。[1]
中文名强化传热技术
效果显著改善换热器的传热性能
主要内容提高换热效率、实现换热最优化
外文名heat transfer enhancement technology
实际应用实现换热节能
主要目的缩小设备、提高热效率、降低消耗
强化传热技术原理
根据传热学原理，换热器的传热量Q可用式Q=KA△t的传热方程式计算。由式Q=KA△t可以看出，增加单位时问传热量Q的途径可以有三条：提高传热系数K，增大换热面积A，加大对数平均温差△t。
增大传热面积
增大传热面积是一种常用的增加传热量的有效方法。采用各种形状的肋片扩展表面管、螺纹管等是增大传热面积的最有效方法。需要注意的是，为了达到强化传热的效果，肋片要加在换热系数小的一侧，否则会达不到强化传热的效果。为了有效增大传热面积，在工程实际中可采用管径较小的管子，也可采用板式和板翅式换热器等紧凑式换热器。该类换热器单位体积内可以布置的换热面积比管壳式换热器要多得多，因此，在同样的体积下可以显著增加其传热量。该类换热器在制冷、石油化工、航空工业等部门中已得到较为广泛的应用。[1]
增大传热温差
在换热器中，通过冷热流体流动方式的不同布置，可以实现顺流、逆流、混合流和交叉流四种流动方式。在相同的冷热流体进出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，交叉流则处于二者之间。因此，为了增加传热量，换热器应尽可能采用逆流或近似逆流的布置方式。但逆流也有缺点，即热流体和冷流体的最高温度都集中在换热器的同一端。
在换热器中，冷、热流体一般作逆向流动，其传热平均温度差最大。但对已作逆向流动的换热器，则不能再用改变流向的方法来增大平均温度差。另外，在化工生产中，冷、热流体的种类及温度往往由生产要求而定，不能随意变动，用增大平均温度差来强化传热是有限的，而且平均传热温差愈大，有效能损失就愈大，所以从节能观点考虑是不可取的。但传热温差小，单位面积的传热量就小，对一定的热负荷所需传热面积就大，同时也会增加摩擦损耗功。因此，传热平均温差的选择应恰当，要根据具体情况确定。
在实际应用中，通过增大传热温差的方式增加换热器的传热量，需要综合考虑具体的生产工艺和换热器材料性能的要求。因为流体的进出口温度受生产工艺条件的限制，一般不能随意改变。对于高温换热器而言，为了保证材料所承受的温度不超过其允许温度，只能采用传热温差较低的顺流或顺逆流组合的布置方式。
因此，通过增大换热面积和加大对数平均温差来增加传热量都不是理想的途径。因为，一味地增加换热面积势必会造成设备体积庞大和初投资费用的大幅度增加，而加大对数平均温差又要受到工艺过程条件和流体性质等的限制。只有提高传热系数，才是强化换热最有效的途径。[1]
提高传热系数
由于增大换热器的面积和提高传热温差会受到设备投资、体积和工艺过程条件等的限制，因此，提高换热器的传热系数K成为强化传热的最重要途径，尤其在换热面积和传热温差给定时，提高换热器的传热系数是增加换热量的唯一途径。
为了提高对流换热系数，应该根据对流换热的特点，采用不同的强化传热方法。提高对流换热系数的主要途径有：提高流体速度场和温度场的均匀性；改变速度矢量和热流矢量的夹角，使二者的方向尽量一致。
要提高K值，就必须减少各项热阻。但因各项热阻所占比例不同，故应设法减少对K值影响较大的热阻。一般来说，在金属材料换热器中，金属材料壁面较薄且导热系数高，不会成为主要热阻：污垢热阻是一个可变因素，在换热器刚投入使用时，污垢热阻很小，不会成为主要矛盾，但随着使用时间的加长，污垢逐渐增加，便可成为阻碍传热的主要因素；对流传热热阻通常是传热过程的主要矛盾，也是强化传热研究的主要内容。
强化传热措施应当选择换热器两侧流体中热阻较大、对换热器总传热系数起控制作用的一侧来实施。如果两侧热阻差不多，则需要在两侧同时采取强化传热措施。对于高温设备和电子器件冷却(例如，各类发动机、核反应推、火箭发动机以及电力、电子设备的冷却)，采用强化换热技术的直接目的是为了降低设备高温部件的温度，但这往往与提高设备功率和热效率或延长设备部件(如涡轮叶片)的应用寿命相联系。[1]
强化传热技术的分类
强化传热技术根据是否消耗外加动力可分为主动(有源)技术和被动(无源)技术。主动技术需要利用外加动力，主要有机械搅动、表面振动、流体振动、电磁场、喷射或吸出等：被动技术无需借助外部动力，主要有处理表面、粗糙表面、发展表面、扰流元件、涡流发生器、螺旋管、添加物、射流冲击等。主动技术大多仍处于
研究开发阶段，只有几种技术在小范围应用。而被动技术长期以来受到广泛关注和深入研究，许多方法已得到广泛的工业应用。[1]
(一)管程的强化传热技术
经过50多年的研究，国内外已对管壳式换热器传热元件的强化传热进行了大量研究，先后研制出多种强化传热管，如螺旋槽管、横纹槽管、波纹管、缩放管、菱形翅片管、花瓣形翅片管、T型翅片管、表面多孔管及扭曲管等。1．螺旋槽管
螺旋槽管的结构见图11.3-1。螺旋槽管有单头和多头之分，工程中大多采用单头螺旋槽管。螺旋槽管的强化传热机理是通过产生的边界层分离流来破坏传热边界层。螺旋槽管对液一液、液一气、气一气介质均有强化传热作用，总传热系数可提高20%～40%，可用于各种形式的换热器、废热锅炉等。
2．波纹管
如图图 11.3-2所示，波纹管是一种得到了比较广泛使用的新颖强化传热器管。其强化传热机理，是通过改变断面的方式，使弧形段内壁处发生两次反向扰动，从而破坏边界层热阻层，扩大低热阻区域，使传热系数得到明显提高。[1]3．缩放管
如图图 11.3-3所示，缩放管是由多节交替的收缩段与扩张段构成的波形管道。根据收缩段和扩张段是否对称，缩放管可分为对称缩放管和非对称缩放管两种。缩放管强化传热的机理，是在扩张段流体速度降低，静压增大；在收缩段流体速度增加，静压减小；流体在方向反复改变的轴向压力梯度作用下流动。在扩张段，流体产生剧烈的漩涡，并在收缩段中得到有效的利用且冲刷了流体的边界层，使边界层减薄，从而强化了传热。缩放管可以强化管内、管外单向流体的传热，尤其适用于雷诺数较高的场合。在同等的流阻损失下，其传热量较光滑管提高70%。缩放管已经在锅炉软水加热器、硫酸厂转化工序气体换热器、氮肥厂气一液换热器及石油化工中气体与油类换热器等得到了推广应用。[1]4．翅片管如图图 11.3-4所示，翅片管是工程中应用最广泛的一种强化传热管，它主要有套装式、绕片式、高频焊接式和滚轧式等多种形式。翅片管既可应用于单向流体的对流换热强化，也可应用蒸发和冷凝换热过程的传热强化。[1]
5．多孔表面管
最早的多孔表面管(也称为高热流管)，是用烧结法在金属材料的基体上覆盖一层具有多孔结构的同种或异种金属粉末涂层而制成的，后来又发展了机械加工、喷涂、电镀等多孔换热表面的方法。图图 11.3-5给出了日本日立公司的Thermoexcel-E管和机械加工法制作的GEWA-管的结构示意图。多孔表面管主要是用于强化沸腾换热过程的。多孔表面具有大量尺寸较大的稳定汽化核心，可以使工质在过热度很小的工况下产生大量气泡，强化了泡状沸腾传热过程。 随着制造技术的不断进步，已经成功开发了多种不同结构型式的多孔强化传热管，并已推广应用到了蒸发器、热管换热器等换热器中，收到了显著的强化传热效果。[1]6．扭曲管如图图 11.3-6所示，扭曲管是一种由机械加工制成的强化传热管，它具有强化换热管两侧传热、减少换热器体积、不用装设折流板、避免换热器振动和减少结垢等优点，已在工程实际中得到了成功应用。
(二)壳程的强化传热技术
壳程强化传热的途径主要有两种：一种是改变管子外形或在管外加翅片，即通过管子形状和表面特性的改变来强化传热，如同前述管程强化传热对传热管所采取的强化措施一样：另一种是改变壳程管间支撑物结构，以减少或消除壳程介质流动与传热的滞留死区，使传热面积得到充分的利用。管壳式换热器壳程管束支撑结构主要有弓形折流板支撑、折流杆式支撑、螺旋折流板支撑、空心环网板支撑、旋流网板支撑和管子白支撑等类型。
1．弓形折流板支撑
弓形折流板有单弓形、双弓形和多弓形几种类型。弓形折流板的数目不是越多越好，一般折流板板间距不宜小于壳体内径的30%，折流板缺口尺寸在壳体内径的15%～45%变化为宜，尺寸过大过小都会使壳程的传热效率降低。[1]
2．折流杆式支撑
由排布的支撑杆和其他元件形成折流栅代替折流板而使流体在壳程形成一系列折流，这样既可以防振，也可以增加流动介质的湍流度和提高管间传热系数。折流杆式管壳式换热器的压力降很低，约为弓形折流板管壳式换热器的1/4，而传热系数则为后者的1.3～2.4倍。折流杆式管壳式换热器已在工程中得到了推广应用，并收到了良好的强化传热效果。[1]
3．螺旋折流板支撑
螺旋折流板使流体在壳程做螺旋运动，在流道内流动长度增加且流动平滑，因而在流道中流速和压差分布比较均匀。螺旋折流板管壳式换热器具有强化壳侧传热、降低壳侧压力降、降低设备造价、减少壳侧结垢、改善两相流分布、减少振动和维护费用等优点。应用结果表明，与相同工况下的直流挡板管壳式换热器相比，螺旋折流板管壳式换热器壳程努塞尔数可提高约50%。[1]
4．空心环网板支撑
空心环由直径较小的钢管截成短节而成，均匀地分布于管间的同一截面上，与管子呈线性接触，使管束相对紧密固定。采用空心环网板取代折流板作管间支撑物，可以大幅度减少气体在壳程作反复折流而损失的流体输送功，依靠增加管间流速提高管外传热系数，达到流体输送功的最佳利用。在相同的壳程压力降下，空心环管壳式换热器的壳程传热系数可比传统的单弓形折流板管壳式换热器提高约1倍。[1]
5．旋流网板支撑
旋流网板支撑采用呈一定旋转角的扭片支撑管束。旋流片为连续性的长纽带时，壳程液体压力降大，仅适用于低雷诺数流体的强化传热。旋流片为非连续性的短纽带时，壳程流体压力降小，可利用下游的自旋流强化传热，适用于高雷诺数流体的强化传热。当流体在壳程做平行于管束的纵向流时，可以形成旋流并促进湍流，旋流与边界流作用形成二次涡流，破坏和减薄管壁流体的边界层，提高传热效率。[1]
6．管子自支撑结构
为简化管束支撑，使换热器更加紧凑，近年来开发出一些自支撑管，如刺孔膜片管、螺旋扁管和变截面管等。这类自支撑管依靠管子自身的一部分(如刺孔膜片、螺旋线或变径部分)的点接触来支撑管束，同时又组成壳程的扰流元件，增大了流体自身的湍流度，破坏了管壁上的流体边界层，从而使壳程传热进一步增强。[1]
强化传热技术在锅炉设备中的应用
在电站锅炉设备和工业锅炉设备的不少部件中均采用强化传热技术，以缩小锅炉体积减轻重量，节省钢材和提高运行可靠性。
1、强化传热技术在大型电站锅炉再热器中的应用
为了减少汽轮机尾部的蒸汽湿度以及提高电站热效率，在高温高压大型电站中普遍采用中间再热系统，即将汽轮机高压缸的排汽再送回锅炉中；加热到高温，然后再送入汽轮机的中压缸和低压缸中膨胀做功。这个位于锅炉设备烟道并用烟气加热的部件称为再热器。再热器的结构与过热器相似，也是由大量平行连接的蛇形管组成。由于再热蒸汽压力低、密度小，其管内蒸汽侧换热系数比过热器工况小得多。由于再热器对管壁冷却能力差，其管壁温度超过管中蒸汽温度的程度比过热器工况大，较易发生管壁温度超过金属允许工作温度的不安全工况。为了提高再热器管子的工作可靠性，再热器管子除布置在烟温稍低的区域，还采用纵向内肋管，如图7-35所示。由于管子内壁表面积增加，可使蒸汽侧热阻减小，这样在其他相同条件时可以比采用光管降低壁温约20℃～30℃。[2]2、强化传热技术在锅炉省煤器中的应用
省煤器是利用锅炉尾部烟气热量加热给水的一种换热器，由一系列呈错列的水平布置蛇形管束组成，烟气在管束外横向流过，给水在管内流动。一般的省煤器管子为光管，为强化传热可采用膜式管和带螺旋外肋的管子。强化传热技术还可以应用在锅炉管式空气预热器、锅炉炉膛受热面、烟管锅炉中。[2]
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