浅析换热器的强化技术及其研究方法

邱佳文

(东北大学设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110166)

引言

换热器的研究对节能降耗至关重要。以空气预热器为例，空气预热器作为一种换热器，在钢铁企业广泛使用。钢铁企业的轧钢加热炉排出炉外的烟气热量巨大，加热炉是钢厂的主要能耗设备，为了将烟气带走的热量进行回收，利用空气预热器回收高温烟气的余热，用来预热空气，极大的提高了燃料利用率，对能源节约来说，是行之有效的方法[1]。另外，回收余热的多少取决于换热器的换热效率。因此，强化传热技术显得尤为重要。

1 换热器强化技术

强化传热技术可以分为两类：被动式、主动式。

需要消耗外部能量的强化传热方式，我们称为主动传热，主动传热的手段一般有：磁场、电场、搅拌、光照射、喷射等。

不需要消耗外部能量的强化传热方式，我们称为被动传热，被动传热的手段有：表面处理、改变形状、插入插件、改变支撑物等。

被动强化技术应用最广、最多，因此我们重点讨论被动强化技术的一些手段。

1.1 将传热管进行表面处理

在对流换热过程中，传热方式分为有相变换热和无相变换热，两者区别在于是否发生蒸汽凝结或液体沸腾的换热过程。

(1)无相变传热过程。无相变传热顾名思义就是不发生相变，也就是在对流换热过程中，不发生蒸汽凝结或液体沸腾的换热过程。例如：旋流管、缩放管、波纹管、横纹管、螺旋槽管、螺旋椭圆扁管等都是极具代表性的异型管。这种传热管具有很多优点，结构比较简单，这样使得换热器方便加工，而且换热器的结构紧凑，增加了传热面积，传热效果好，换热器的制造成本也大大降低。

(2)有相变传热过程。有相变传热与无相变相反，也就是在对流换热过程中，发生了蒸汽凝结或液体沸腾的换热过程。例如：冷凝传热的锯齿形翅片管、花瓣形翅片管，强化沸腾传热的T形管、表面多孔管等都是极具代表性的异型管。

1.2 传热管内插件技术

传热管内插件技术优点优点多，在强化换热中被广泛使用，它具有简单的工艺，使得制造成本低廉，并且不易生成污垢，增大了湍流程度，增加了换热效率，还有就是内插件清洁污垢也比较便捷。例如：螺旋线圈内插件、扭带内插件、静态混合器、螺旋弹簧内插件等都是极具代表性的传热管内插件。

1.3 管束支撑技术

管束支撑具有强化壳程热交换的特点，同时对管束支撑，可以引导壳程流体流向和减小管束振动。例如：折流杆支撑、弓形折流板支撑、空心圆环支撑、螺旋隔板支撑、螺旋折流片支撑等都是极具代表性的管束支撑手段[2]。

2 换热器强化技术的研究方法

换热器的强化换热技术的研究方法分两个方面：换热器内流体流态变化的研究、对各部件的参数优化的研究。研究方法归纳为三类：理论分析研究、实验研究、数值模拟计算研究。

2.1 理论分析研究

换热器理论分析研究是换热器装置性能强化有力的支持依据，实验前用理论进行分析，分析包括实验的目的和可能出现的结果，另外，我们可以根据相关的已知作为基础，推导出一个含有想要求解的未知量的公式，理论分析和其他变量的相关性，最后用实验验证这个结果的准确性，这个公式也就变成了实验的有力依据[3]。

2.2 实验研究

为了更加深入地反映换热器的实际运行性能，必须采用实验研究。为了得到换热器的流场分布和温度场分布，以及不同结构的强化传热机理，需要使用实验仪器进行实验，并且对实验结构进行整理、处理、分析计算。

2.3 数值模拟计算研究

数值迷你计算研究的首要任务是先确立换热器传热过程的物理模型，然后确定边界条件，接下来用数值模拟软件进行计算，最后还要用后处理软件进行数据处理。Fluent数值模拟软件经常被作为数值模拟计算研究的一种手段[4]。

通过计算机技术进行仿真模拟具有广泛的应用范围。计算机技术可以直接模拟仿真自然对流、剥离流、振动流和湍流热传导，并且可以利用计算机技术进行仿真模拟辐射传热、多相流和稠液流的机理[5]。

换热器的数值模拟可以分析换热器内流体的流动情况，也可以对不同结构换热器进行分析。对于研究换热器的传热强化，数值模拟计算研究是必不可少的手段。

实验研究和数值模拟计算研究相辅相成，实验可以验证数值模拟的结果，数值模拟的结果同样是实验结果准确性的有力证明。

3 结束语

随着节约能源、降低损耗在工业生产中越来越被人们注意，换热器强化传热的意义也越来越重要。换热器的强化传热技术有：传热管表面处理、传热管内插件、管束支撑。换热器的三种研究方法为：理论分析研究、实验研究、数值模拟计算研究。