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文献综述
一、研究背景
就目前情况来说，全世界的能源都在急剧被消耗，供应局势的紧张以及环境压力的不断增大，使得节能减排成为当今世界共同关注的一个焦点问题，因此发展并采用节能高效的传热强化技术对于节约能源,提高能源利用效率具有非常重要的意义。然而，无论是在日常生活中暖气散热片，汽轮机的凝汽器，或者航天火箭油，换热器作为保证工艺工程对介质要求的特定温度的重要部件，早已经广泛应用于化工、石油、动力和原子能等众多部门。其意义也发展囊括了能源的充分利用这一重要部分。在化工生产中换热器可作为加热器、冷凝器、冷却器、蒸发器和再沸器等[1]。根据相关的统计，在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40%以上，在现代化学工业的投资大约占设备总投资的30%,,甚至在海水淡化工艺上，其装置几乎全部由换热器组成的[2]。
事实上以能源为中心的社会、经济、环境等问题已经日益突出,节能和能源的合理有效利用显得极其重要[3]。由于换热器在经济和工业上对于产品质量，能源应用上起着举足轻重的作用，其传热性能的好坏对节能有着极其重要意义。强化传热是提高换热器综合效率、降低其寿命周期费用的有效措施。要节能降耗,提高工业生产的经济效益,必须研究各种传热过程的强化问题,开发适用不同过程工业要求的强化传热结构及高效换热设备,这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迫切任务[4]。
换热器的强化传热就是通过改变影响传热过程的各种因素力求使换热器在单位时间内,单位传热面积上传递最多的热量[5]。强化传热研究的主要目的是为了提高热量传递过程的速率,力图达到以最经济实用的设备(重量小、体积小、成本低)来完成规定传递的热量或在设备规模相同的情况下能更快更多地传递热量,用最高的热效率来实现能源的合理利用。
二、强化传热技术
对于换热器的节能与利用，陈维汉，钱壬章用热力学第一及第二定律分析衬流换热过程中传热及流动两方面的性能，建立了定量分析换热性能的明损失率关系式，并利用它确定各种基本换热过程在给定条件下的最佳使用范围，以及比较各种换热方式的性能差异，为工程上采用换热过程提供综合性能评价的指标[6]。前人做了很多工作:归结起来管外的传热系数远比管内传热系数大,所以,为了强化传热,重点在于强化热管传热系数。所以为了解决这个问题,许多前辈在不同的道路上研究很久,目前为止,呈现了几种不同的解决方法。主要有处理表面、粗糙表面、扩展表面、扰流装置、漩涡流装置、螺旋盘管、表面张力、装置添加物、壳程强化等几种方法。
但是在技术层面，其主要分为被动式(亦称为无功技术)和主动式(亦称为有功技术或有源强化技术)[7]。前者是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术,是换热器强化传热主要采用的方法,如传热管的表面处理、传热管的形状变化、管内加入插入物,改变支撑物等;后者是指需要加入额外动力以达到强化传热目的的技术,如采用电场、磁场、光照射、搅拌、喷射等手段[8]。我们在这里主要介绍被动式增加扰流子的强化传热。
1.处理表面法
处理表面法是指对表面粗糙度的小尺度改变和对表面进行连续或不连续的涂层。可通过烧结、机械加工和电化学腐蚀等方法来将传热表面处理成多孔表面或锯齿形表面,如开槽、模压、碾压、轧制、滚花、疏水涂层和多孔涂层等[9]。此种处理表面的粗糙度达不到影响单相流体传热的高度,但是可以用于强化沸腾传热和冷凝传热。
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