管壳式换热器强化传热研究进展及未来方向

管壳式换热器强化传热研究进展及未来方向

换热器强化传热的目的是在相同动力消耗条件下，单位时间、单位面积下尽可能增加换热量。通过提高利用效率使其结构更加紧凑，占用空间少，节约原料同时提高生产率。针对管壳式换热器的强化传热主要有以下方式：管程强化传热、壳程强化传热、流体本身物性优化以及复合强化传热等。其中管程强化传热主要是通过改变换热管外形，在换热管表面加工形成凸起对流体进行扰动，从而强化传热。目前主要研究的强化换热管包括波纹管、横纹管、螺旋扁管、缩放管、翅片管等。在管内添加插入物，不断改变传热面形状扰动管内流体，常用的内插件有纽带、间隔纽带、螺旋片、螺旋线等。壳程强化传热可以通过改变换热管外形，在换热管外壁加工翅片形成扩展表面，增加换热面积，提高换热效率，以及通过优化壳程支撑结构来实现壳程强化传热。壳程管束支撑结构如弓形隔板、螺旋隔板等可以通过引导流体进行流动进行强化传热。针对管束支撑结构的研究主要集中在螺旋隔板结构的优化方面。除了换热器本身几何结构的优化，改善换热流体热物性也吸引研究者关注，主要研究集中于提高流体热导率和比热容。纳米流体是将纳米粒子分散在基液中，可以有效提高流体导热率，目前主要研究的纳米颗粒有TiO2、Al2O3、CuO、Cu、多壁碳纳米管等，常见基液为水、乙二醇等。潜热型热流体是一种以相变材料为基础的集储热和传热功能于一体的新型工质，主要有相变乳液及相变微胶囊悬浮液等。相变乳液是通过表面活性剂将相变材料乳化分散于基液中，而相变微胶囊是使用微胶囊封装技术将相变材料封装在聚合物中，形成核壳颗粒。潜热型热流体利用相变材料本身高潜热值而提高流体的热容。

管壳式换热器作为工程中应用最广泛的换热组件，在日益重视能源利用效率的今天，针对管壳式换热器的强化换热得到广泛关注。本文主要介绍了近几年关于管壳式换热器的强化传热的相关研究进展，主要包括管程强化传热、壳程强化传热、流体本身的强化传热以及复合强化传热。其中管程强化传热主要介绍波纹管、横纹管、螺旋扁管，缩放管等强化传热管。管内插件包括纽带、间隔纽带、螺旋片、螺旋线等。通过强化传热管及管内插入物对流体进行扰动，破坏边界层从而强化传热，但其相对光滑管具有易结垢、难清洗等缺点。壳程强化传热介绍翅片管及管束支撑结构（螺旋隔板）的相关研究。翅片管扩大了传热面，且造成流体扰动，增加紊流度，从而达到强化传热的效果。螺旋隔板通过引导流体进行流动，增加湍流，以提高管间的传热效果。纳米流体在换热器中的应用在近几年得到广泛关注，目前主要研究的纳米颗粒有TiO2、Al2O3、CuO、Cu、多壁碳纳米管等。通过基液中分散的纳米颗粒提高热导率以及粒子不规则的运动可以增强流体湍流强度。潜热型流体包括相变乳液及相变微胶囊悬浮液、熔融盐等，作为集储能传热功能于一体的新型工质具有良好研究前景，但纳米流体及潜热性流体具有稳定性较差等缺点。复合强化传热是将多种强化方法复合来弥补单一方法的不足，以更高效提高换热效果。

综上，未来管壳式换热器强化传热研究可从以下方面进行。

（1）持续开发高效强化传热管，并对强化传热管的传热及抗污垢特性进行研究；

（2）针对不同的传热介质，研究传热管表面结构与流体旋流流动的协同强化传热机理；

（3）制备性能稳定的纳米流体和潜热型热流体，研究其流动与传热特性；

（4）采用多种强化传热方法相结合，弥补单一方法的不足，进一步提高强化换热效果。