冷卻器的強化傳熱就是力求使冷卻器在單位時間內(nèi)，單位傳熱面積傳遞的熱量達到最多。應用強化傳熱技術的目的是力圖以最經(jīng)濟（體積小、重量輕、成本低）的冷卻器來傳遞規(guī)定的熱量|1，這就要求所研制的冷卻器，盡可能地節(jié)省資金、能源和減少金屬消耗及所占的空間。目前高效能管殼式冷卻器的研究主要集中在強化管程和殼程2方面，且以實驗研究方法為主。
1管程強化傳熱強化管殼式冷卻器管程的傳熱，主要是通過增加流體湍流度、擴展傳熱面積和提高流體流速等方法實現(xiàn)，即在內(nèi)表面加工凸肋或翅片結(jié)構、在管內(nèi)加插入物以及提高流速。
  凸肋結(jié)構。這類傳熱元件主要是通過在傳熱管的內(nèi)表面機械加工出凸肋，以增強流體的湍動強度，從而達到強化傳熱的目的。當前應用比較廣泛的是螺旋槽管、橫紋管和波紋管。螺旋槽管的內(nèi)表面有螺旋槽凸肋，其外表面有螺旋槽。流體流經(jīng)這些螺旋槽凸肋時產(chǎn)生擾動，減薄了管壁表面層流底層的厚度，提高了管程對流換熱系數(shù)，同時螺旋槽凸肋能使部分順壁面軸向流動的流體產(chǎn)生軸向漩渦而引起邊界層分離，使傳熱熱阻減小。螺旋槽管可用于強化管內(nèi)單相流體的傳熱和相變傳熱123.橫紋管的外壁上有沿軸向間隔的環(huán)形槽，內(nèi)壁由于外壁環(huán)形槽向內(nèi)擴展而出現(xiàn)對應的環(huán)狀凸出，使沿內(nèi)管壁流動的流體產(chǎn)生邊界層分離流，促進了流體的紊流強度，增加了流體邊界層的擾動，從而強化了管內(nèi)的傳熱。
  它可用于管內(nèi)單相及相變傳熱強化。在單相傳熱過程中，相同條件下，壓降較螺旋槽管小141.波紋管的外形像糖葫蘆一樣，管內(nèi)流體在低流速的情況下呈湍流狀態(tài)，可用于管內(nèi)單相流體的傳熱強化15.翅片結(jié)構。這類傳熱元件主要是在傳熱管內(nèi)表面通過機械加工出內(nèi)翅片，以增加傳熱管的傳熱面積，同時還能使流體在較低流速下達到紊流。目前主要有二維和三維內(nèi)翅片管。它們也能顯著地強化管內(nèi)單相及相變傳熱1671.插入物。在低雷諾數(shù)或高粘度流體傳熱工況下，管內(nèi)插件對強化氣體、低雷諾數(shù)流體或高粘度流體的傳熱會起到較好的效果。管內(nèi)插件的形式可大致分為3類：強化旋流，如紐帶和半紐帶形式；促進湍流，如螺旋線、片條、斜環(huán)片等形式；置換型強化器，包括靜態(tài)混合器、交叉鋸齒帶、球形體等形式。但是采用管內(nèi)插入物強化傳熱時，存在流動壓降變大，易產(chǎn)生污垢等缺點。因此，這種方法研究的關鍵是要找出一種既可提高傳熱系數(shù)，而壓強增加又不大的內(nèi)插物18提高流體的流速法。提高流速實質(zhì)就是增加流動湍流度，這種方法最為簡單直觀，但是流動壓降與流速的平方成正比例的關系，因此采用流速的提高也是有限度的。
  殼程強化傳熱強化冷卻器殼程傳熱的方法包括改變傳熱管外表面結(jié)構和管間支撐結(jié)構。傳熱管外表面的改變主要是在其外表面上加工出溝槽和翅片。
  管外傳熱強化。外表面有溝槽的傳熱管主要包括螺旋槽管和橫紋管。螺旋槽管和橫紋管對管外蒸汽冷凝，強化效果明顯，主要機理是溝槽使液膜和氣膜層產(chǎn)生旋流，破壞了氣膜層的穩(wěn)定。同時，冷凝液在槽內(nèi)由于重力分力和表面張力作用在氣液相界面剪切力的作用下使冷凝液迅速流向溝槽，從而減薄了液膜的邊界層厚度1101.外翅片管能有效地擴展換熱面積，均可用于單相及冷凝傳熱強化1111.管間支撐結(jié)構。傳統(tǒng)的管殼式冷卻器大多采用弓形隔板支撐，流體在殼程呈“Z”形流動，在隔板和管壁相連處存在流動死區(qū)，傳熱系數(shù)下降，壓力的損失較大；在隔板與殼體或（和）管之間旁路流和泄漏流現(xiàn)象嚴重而降低流體的有效質(zhì)量流速。為了克服以上缺點和改善流體在殼程的傳熱性能，出現(xiàn)了一些新的管間支撐結(jié)構。當前比較優(yōu)越的管間支撐結(jié)構形式主要有折流桿、螺旋扁管自支撐和螺旋隔板。
  折流桿冷卻器是一種以折流桿代替折流板的冷卻器。每一折流桿單元主要包括支撐桿、折流環(huán)交叉支撐拉桿、分隔板和縱向滑動桿。支撐桿桿端均焊接在折流圓環(huán)上，折流桿組由4種不同布置方式的折流桿構成，并由支撐桿建立無阻礙的流道，形成以縱向為主的流通區(qū)，因而有良好的熱力一水力性能。因殼程具有與管程流動基本相同的對流傳熱機理，加上支撐桿形成的渦流流動和折流環(huán)區(qū)的文丘里效應，所以熱力性能優(yōu)異；又因殼程不存在橫向流通的阻力，也無來回流動的反向效應，故其殼程壓降也較低。折流桿冷卻器可應用于單相、沸騰和冷凝等各種另一種縱向流的螺旋扁管冷卻器，由圓管軋制或橢圓管扭曲成具有一定導程的螺旋扁管組成，其殼程內(nèi)相鄰管長軸處的點接觸支承管子。殼程流體受離心力作用而周期性改變流速和流動方向，加強了流體的軸向混合。同時，流體經(jīng)過相鄰管子的螺旋線接觸點后形成脫離管壁的尾流，增加了流體自身強化傳熱。螺旋扁管冷卻器也可應用于單相、沸騰和冷凝各種工況1131.縱向流型冷卻器的缺點是因殼程流速的限制而影響傳熱性能的進一步提高，為此，ABB公司開發(fā)出了最為優(yōu)越的螺旋隔板冷卻器。其設計原理是：將圓截面的特制板安裝在虛擬螺旋折流系統(tǒng)中，每塊折流板占冷卻器殼程中橫剖面的1/4傾角朝向冷卻器的軸線，與冷卻器軸線保持一傾斜度，這種獨特的設計避免了流體的流動死區(qū)和返混，大大的提高了冷卻器的換熱效率。螺旋隔板冷卻器的主要優(yōu)點是介質(zhì)在殼體內(nèi)連續(xù)平穩(wěn)螺旋流動，避免了橫向折流產(chǎn)生的嚴重壓力損失；殼程內(nèi)流體螺旋前進，在徑向截面上產(chǎn)生速度梯度，形成徑向湍流，使換熱管表面滯留底層減薄，有利于提高膜傳熱系數(shù)；不存在死區(qū)，可減少污垢沉積。目前對螺旋隔板冷卻器的傳熱性能的研究綜合起來主要包括2個方面：流體動力學研究和傳熱與壓降性能研究。
  流體動力學研究。王承陽等對螺旋隔板冷卻器進行了冷態(tài)流動實驗研究，在弓形隔板冷卻器中觀察到流體呈“Z形流動，碎屑在弓形隔板的根部打轉(zhuǎn)，并有聚集成團的趨勢，表明存在死區(qū)和返混；在螺旋隔板冷卻器中清楚地觀察到流場呈螺旋形，沒有像弓形隔板那樣明顯的死區(qū)和返混混現(xiàn)象。
  同時，還對弓形隔板冷卻器和螺旋隔板冷卻器的壓降進行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在流量相同的條件下，螺旋隔板冷卻器的總壓降降低了20%左右|141.王樹立等對30°35°40°42°45°和50°共6種螺旋角的冷卻器進行流動特性實驗，研究結(jié)果表明，隨著螺旋角的減小，切向速度分量增大，脈動速度也相應增大，有利于換熱，但螺旋角減小，流動損失也隨之增加；流量增加使速度沿徑向分布趨于均勻1151.DKRAL等對螺旋隔板冷卻器的流體動力學研究結(jié)果顯示，螺旋隔板冷卻器的返混區(qū)和死區(qū)最小；此外，還研究了不同螺旋角的冷卻器的換熱效率與流阻的關系，結(jié)論是隨著螺旋角的增大，特別是在25°~40°換熱效能增加，在螺旋角為40°時，傳熱與流阻性能達到最優(yōu)，超過這個角度則傳熱與流阻性能降低1161.傳熱與壓降性能研究。陳世醒等對高粘度流體（重油一水換熱）在螺旋隔板冷卻器和普通弓形隔板冷卻器的傳熱和流阻進行實驗，研究結(jié)果表明，相同流量下螺旋隔板冷卻器殼程的a/AP是普通弓形隔板冷卻器的1.5倍左右|171.此外，張克錚的湍流度破壞了流體在管壁上的傳熱邊界層從而Hshfg對低粘度流體體（水一水換熱）的傳熱和流阻中試實驗，研究結(jié)果表明，相同流量下螺旋隔板冷卻器殼程的a/AP是普通弓形隔板冷卻器的2 4倍左右I時，特別是螺旋角在25°~40°范圍內(nèi)，換熱效率隨著螺旋角的增加而增加，當超過40°時，換熱效率迅速下降。同時，還對弓形隔板光滑管冷卻器、弓形隔板低肋管冷卻器以及螺旋隔板低肋管冷卻器的傳熱和流阻性能進行對比實驗。冷凝器實驗結(jié)果表明，在相同的換熱面積條件下，弓形隔板低肋管冷卻器的換熱量是弓形隔板光滑管冷卻器的1. 5倍，而螺旋隔板低肋管冷卻器的換熱量是弓形隔板光滑管冷卻器的1.63倍，弓形隔板低肋管冷卻器和螺旋隔板低肋管冷卻器的壓降均是弓形隔板光滑管冷卻器的1.49倍1191.張正國等對螺旋隔板花瓣管和螺旋隔板低肋管潤滑油冷卻器的傳熱和壓降性能進行了實驗研究和理論分析，結(jié)果表明，在相同油體積流量下，螺旋隔板花瓣管油冷卻器的總傳熱系數(shù)比螺旋隔板低肋管油冷卻器提高10%以上，同時壓降也降低46%左右。相同油壓降下，螺旋隔板花瓣管油冷卻器的總傳熱系數(shù)是目前常用的普通弓形隔板光滑管潤滑油冷卻器的4~5倍1201. 3研究方向目前冷卻器的傳統(tǒng)研究主要是實驗方法，但對新型管束支撐結(jié)構的冷卻器進行實驗研究時，用實驗方法根本無法從微觀上看到結(jié)構對流體流動和傳熱的影響。因此，雖然實驗研究直觀、真實、可靠，但受實驗條件、實驗模型、結(jié)構參數(shù)、測量精度、實驗周期及費用等因素影響，冷卻器性能的完善和新型結(jié)構的開發(fā)受到制約。詳細準確地預測冷卻器流體的流動和傳熱特性，對設計經(jīng)濟可靠的冷卻器以及評價現(xiàn)有管殼式冷卻器的性能十分必要。由于結(jié)構復雜的冷卻器，流動和傳熱的影響因素很多，流動形態(tài)也很復雜，因而數(shù)值模擬的研究方法無疑為經(jīng)濟、安全地設計、評價和改造冷卻器提供了一種強有力的手段。
在數(shù)值模擬過程中，為了省卻科研工作者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復、低效的勞動，以便將主要精力和智慧用于物理問題本身的探索上，國外已開發(fā)出PH（NICSFL：W3DA-SYS和FLENT等大型通用CF軟件，這些軟件之理工具，能夠很好解決一維、二維、三維及層流或湍流、單相或多相、穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的傳熱和流體流動問題，對每一種物理問題的流動特點，都有適合它的數(shù)值解法，用戶可對顯式或隱式差分格式進行選擇，以期在計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳。
  運用CID技術對管殼式冷卻器的殼程流場和溫度場進行計算機模擬不僅可節(jié)省大量的實驗操作和費用，模擬的結(jié)果還可指導實驗，并且可完成實驗尚不能完成的流場和溫度場分析，從而為殼程結(jié)構的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

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