为了节约能源，在大多数情况下都希望强化热量传递过程，只有在少数情况下，例如为了防止散热，才希望削弱传热。对于热传导和热辐射过程，其强化方法比较简单；对于以对流换热为主的传热过程，其强化就比较复杂，方法也多种多样。传热过程正是本章介绍的重点。

1.热传导过程的强化

强化热传导过程的方法主要是采用高导热系数的材料和减少接触热阻。表2-1所示为部分金属材料的密度、比热容和导热系数。

表2-1　部分金属材料的密度、比热容和导热系数

续表

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如何在导热空间内布置一定体积的高导热材料来取得导热强化的效果是一个首先需要考虑的问题，不少研究者对此进行了研究。目前主要的研究集中在所谓热传导过程的仿真优化，即用生命演化过程来模拟高导热材料的布置形式的寻优。

可以模仿植物吸收水分和养分的根系分布来布置高导热材料，也可模仿向血液供氧的肺叶支气管分布来布置高导热材料。此外树叶、神经和血管分布，流域分布都是可以模仿和借鉴的对象。实际上树状结构就是自然选择的结果。众所周知，任何生命体的生长首先在温度梯度最大部位上进行，相反，生命体的退化则首先废弃那些承担导热任务最小的组织，即温度梯度最小单元，其结果是温度梯度的全场优化。因此高导热材料应首先布置在温度梯度最大处。

在工程上常常遇到互相接触的固体表面。实际上其接触仅发生在一些离散的面积元上。未接触的界面的间隙常常充满了空气，热量将以导热的方式穿过该气隙层。由于气体的导热能力很差，因此与两固体表面真正完全接触相比，相当于增加了热阻，称之为接触热阻。

界面的接触热阻的大小取决于许多因素。如两种接触材料的性质、表面的粗糙程度、清洁和氧化状况、界面上所受的正压力（预紧力）、间隙中所填充的介质种类等。接触热阻因为情况各异，目前还无法总结出通用的计算规律，一般只能依靠实验测定。

降低接触热阻的有效方法如下：

（1）提高接触面之间光洁度或增加物体间的接触压力以增加接触面积，如选用软硬适当的材料并施以一定的压力，使得硬度较低的一方变形，以消除缝隙，并赶走其中的气体。铜和铝导热性能良好，并且价格便宜，在温度不很高的情况下，可用作垫片或涂层材料。银的导热性能更好，但价格较贵，故只用于重要场合。在高温情况下，可用镍或铬作垫片或涂层材料。实验表明，不锈钢基体上的铜涂层可使表面接触热阻最多降至1/20。

（2）在接触面之间填充特制的导热系数较高的导热油（又称导热姆），或导热系数较高的气体（如氦气）。填充的导热材料特别适合不规则形状界面。

（3）在接触面上用电化学方法添加软金属涂层或加软垫片。值得注意的是，软垫片的厚度应该与表面粗糙元高度相当，最好不要超过粗糙元高度均方根值的2倍。

（4）对接触面积很小的管带式肋片，为了保证热接触可靠，一般采用胀管、钎焊、锡焊或热浸锌。

目前具有高导热性能的新材料的研究已成为热点问题之一，其中高导热的聚合物和导热硅橡胶复合材料的研究已取得实质性的进展。

2.对流换热的强化

对流换热的强化与流体的物理特性、流动状态，流道几何形状，有无相变发生以及壁面的状况等许多因素有关。传热过程的强化常常和对流换热强化密不可分，因此本章中将两者一起介绍。

3.辐射换热的强化

只要物体温度高于绝对零度，它就能依靠电磁波向外发射能量，所以物体之间总是存在着辐射换热。在物体之间温度差别不是很大的情况下，辐射换热可以忽略，但在高温设备中辐射是换热的主要方式。

强化辐射换热的有效方法如下：

（1）增大表面的发射率，如选用表面的发射率高的材料、表面粗糙化和在表面形成氧化膜。虽然在自然条件下金属表面总是覆盖不同厚度的氧化膜，但当氧化膜很薄（小于0.05μm）时，该膜基本上是透明的，对发射率没有什么影响。随着氧化膜厚度的增加，它对发射率的影响也逐渐增大，且随温度的增加而急剧增大。当氧化膜厚度超过0.2 μm时，因为金属表面的反射率急剧降低，表面辐射率增加很快。有些高温设备（如火箭发动机、高温气冷堆）为了增加辐射冷却效果，散热面通常进行粗糙化或优化处理。

（2）采用多功能的辐射热吸收强化剂。例如，将PW-XS辐射热吸收强化剂喷涂于锅炉火管内壁、水管外壁，节能效果显著，燃煤锅炉实验室节能率达4％～8％，燃气、燃油锅炉使用时节能率达4％～8％。而且这种强化剂无毒、无味、不脱落、抗急冷急热。杭州帕沃科技有限公司（PW）的多功能热辐射吸收强化剂，由于其内含10％左右的纳米级颗粒，再加上采用特殊的黏结剂，很好地解决了和金属壁面结合的问题，在强化辐射传热的工业应用中取得很好的节能效果。

（3）在气流中掺加固体微粒。此举不但可以增加气流对壁而的对流换热系数，还可增加悬浮体内的辐射换热。这是因为高温壁面以辐射形式向弥散于气流中的固体颗粒传热，提高了固体颗粒的温度，使整个流动体系的平均温度升高。弥散于气流中的固体颗粒通过导热和对流将热量迅速传给气流，使壁面向气流的传热强度提高几倍，甚至几十倍。固体颗粒对辐射换热的强化程度与微粒在气流中的载荷比、微粒尺寸、气流的运动状态、流道的形状都有关系。对于透明气体（如空气、氢、氮等），因为它们不会吸收来自高温壁面的辐射能，掺加固体微粒使辐射换热增强的效果比在二氧化碳、水蒸气这类非透明介质中掺加微粒效果更好。

（4）利用辐射板来增加高温通道中的传热。例如，在高温气冷管中插入一块沿轴向放置的高粗糙度的金属板。该板吸收高温管壁的辐射能后，板温迅速升高，并将热量通过对流传给空气。其输热量可以增加一倍。在加热工件时采用多层丝网叠合组成的多孔体将工件和燃烧器都包围起来，也能使工件的温度升高更快。(www.daowen.com)

（5）散热表面加装辐射翅片。在散热表面加装辐射翅片可以增大辐射散热面积，提高辐射散热量。

（6）使用光谱选择性的辐射表面。某些光谱选择性的辐射表面能够比较好地吸收来自高温物体短波长的辐射能，同时在自身较低的温度下能保持较低的发射率，因此可以获得较多的净辐射能。这种光谱选择性的辐射表面在太阳能集热器中应用很广。黑漆对太阳能辐射的吸收率虽很高，但在集热器的壁面温度下其发射率也很高，这时在集热器的玻璃上涂上光谱选择性材料就能取得很好的效果。

4.传热过程的强化

从传热学可知，换热器中的传热量可用下式计算：

式中，k为传热系数，W/（m2·K）；F为传热面积，m2；ΔT为冷热液体的对数平均温差，K。从上式可以看出，欲增加传热量Q，可通过增加k、F或ΔT来实现。下面对此分别加以讨论。

1）增加冷热液体的对数平均温差ΔT

在换热器中冷热液体的流动方式通常有四种，即顺流、逆流、交叉流、混合流。在冷热流体进出口温度相同时，逆流的对数平均温差ΔT最大，顺流时ΔT最小，因此为增加传热量，应尽可能采用逆流或接近于逆流的布置。

当然可以用增加冷热流体进出口温度的差别来增加ΔT。比如某一设备采用水冷却时传热量达不到要求，则可采用氟利昂来进行冷却，这时ΔT就会显著增加。但是在一般的工业设备中，冷热流体种类和温度的选择常常受到生产工艺过程的限制，不能随意变动。而且这里还存在一个经济性的问题，如许多工业部门经常采用饱和水蒸气作加热工质，当压力为1.586×106 Pa时，相应的饱和温度为437 K，若为了增加ΔT，采用更高温度的饱和水蒸气，则其饱和压力亦相应提高，此时饱和温度每增高2.5 K，相应压力就要上升105 Pa。压力增加后换热器设备的壁厚必须增加，从而使设备庞大、笨重，金属消耗量大大增加。虽然可采用矿物油、联苯等作为加热工质，但选择的余地并不大。

综上所述，用增加对数平均温差ΔT的办法来增加传热只能适用于个别情况。

2）扩大换热面积F

扩大换热面积是常用的一种增加换热量的有效方法，如采用小管径。管径越小，耐压越高，而且在同样多金属的情况下，表面积也越大。采用各种形状的肋片管来增加传热面积，其效果就更佳了。这里应特别注意的是肋片（扩展表面）要加在表面传热系数小的一侧，否则会达不到增强传热的效果。

一些新型的紧凑式换热器，如板式和板翅式换热器，就是采用扩大换热面积来增加换热量，它们同管壳式换热器相比，在单位体积内可布置的换热面积大得多。如管壳式换热器，1 m3体积内仅能布置换热面积150 m2左右，而在板式换热器中则可达1500 m2，板翅式换热器中更可达5000 m2。因此在传递相同的热量时，后两种换热器要紧凑得多。这就是它们在制冷、石油、化工、航天等部门得以广泛应用的原因。当然对高温、高压工况就不宜采用板式和板翅式结构，此时可采用简单的扩展表面，如普通肋片管、销钉管、鳍片管，虽然它们扩展的程度不如板式结构高，但效果仍然是显著的。有关这些换热器的知识将在第7章中介绍。

采用扩展表面后，如果几何参数选择合适，还可同时提高换热器的传热系数，这样增强传热的效果就更明显了。值得注意的是，采用扩展面常会使流动阻力增加，金属消耗量增加，因此在应用时应进行技术经济比较。

3）提高传热系数k

提高传热系数k是强化传热的最重要的途径，且在换热面积和对数平均温差给定后，是增加换热量的唯一途径。当管壁较薄时，从传热学中可知，传热系数k可用下式计算：

式中，h1为热液体和管壁之间的对流换热系数；h2为冷流体和管壁之间的对流换热系数；δ为管壁的厚度；λ为管壁的导热系数。

一般来说，金属壁很薄，导热系数很大，δ/λ可以忽略。因此传热系数k可以近似写成

由此可知，欲增加k，就必须增加h1和h2，但当h1和h2相差较大时，增加它们之中较小的一个最有效。

目前强化传热技术有两类：一类是耗功强化传热技术；另一类是无功强化传热技术。前者需要应用外部能量来达到强化传热的目的，如机械搅拌法、振动法、静电场法等。后者不需外部能量，如表面特殊处理法、粗糙表而法、强化元件法、添加剂法等。通常将传热强化的物理机制归纳为：①壁面区和中心区流体混合；②流体边界层减薄；③二次流形成和湍流度增强等。

由于强化传热的方法很多，因此在应用强化传热技术时，应遵循以下原则：

（1）首先应根据工程上的要求，确定强化传热的目的，如减小换热器的体积和质量；提高现有换热器的换热量；减少换热器的阻力，以降低换热器的动力消耗等。因为目的不同，采用的方法也不同。

（2）根据各种强化方法的特点和上述要求，确定应采用哪一类的强化手段。

（3）对拟采用的强化方法从制造工艺、安全运行、维修方便程度和技术经济性等方面进行具体比较和计算，最后选定强化的具体技术措施。

只有按上述步骤才能使强化传热达到最佳的经济效益。