传热强化的目的是提高热工设备的利用率、节约能源,或是满足特殊的工艺要求。
传热过程中热流体通过对流换热向高温侧壁面传热。这一热量又通过固体壁导热传递给低温侧壁面,最后以对流换热方式由冷流体把热量从低温侧壁面带走。传热过程的总热阻()等于固壁两侧的对流换热热阻(
)和固壁本身的导热热阻(
)等3个分热阻之和。其中
为总传热系数,
分别为两侧流体对固壁的对流换热系数,
和
为固壁的厚度和热导率,
为固壁传热面积。如果传热在高温下进行,总热阻中还应包括另一个分热阻──辐射热阻。通常降低任何一个分热阻都能提高总传热系数。但实际上,只有当固壁的导热热阻相对于其他几个分热阻较大或相接近时,选用热导率
比较大的金属作固壁材料才是有意义的。当导热热阻在总热阻中所占比重很小,为强化传热,主要应设法减小固壁两侧的对流换热热阻。如果两侧的对流换热热阻相近,强化两侧或任一侧都有效果;如果两者差别较大,则应着重强化原来热阻大的一侧。
强化对流换热是强化传热过程的主要途径,可以采用的方法也更加多样,常用的有:①选用热导率和体积比热容较大的流体。②增加流速,以提高湍流度,减薄边界层,降低对流热阻。③采用螺旋管、螺旋板、入口旋流片、各种波形管、异形管和管内插入件,以及粗糙表面等以增强流体扰动。④在对流换热较弱的一侧采用肋片、翅片,以增大换热面积和增强扰动。⑤采用相变换热,并设置表面强化件形成最佳表面状态,如在沸腾汽化时应用多孔金属壁以增加汽化核心;在蒸汽凝结时,换热面上加涂料或流体中掺入添加剂,造成珠状凝结条件。⑥通过带有螺旋斜面、切向进口或扭转带涡流发生器、绕丝形强化件、螺旋肋、螺桨式扰流器、蛇形管等使流体旋转产生涡流。⑦改进冷热气流的流向安排,提高换热温压。⑧外加一定强度的传热面振动影响单相流动边界层。⑨使用声波或超声振动。⑩对管式通道径向施加静电场。⑪在稀薄气体中添加固态悬浮体(如石墨微粉)。⑫通过多孔传热面吹入或抽出气体,以及热管中利用的毛细作用。