特别推荐：强化传热的原则及方法
传热强化与削弱是热科学领域的重要研究主题，制冷及低温系统当然也不例外。出于制冷系统紧凑化、高效率考虑，需要强化换热器的传热，同时应削弱制冷空间围护结构(墙体、箱体)以及管道、设备等与外界环境的传热。本文将主要针对制冷系统，简述强化与削弱传热的原则及具体措施，也适当介绍一点相关研究现状。
强化传热的原则
根据传热学基本理论，强化及削弱传热均应从换热器中热阻较大的一侧入手，提高这一侧对流换热表面传热系数。出于技术经济考虑，并非所有可以提高传热系数的方法都可取。
实际选用时应考虑以下要求：
(1)采用强化传热措施后，应使系统效率提高、设备体积减小、系统总功耗降低；
(2)强化措施应能降低生产成本，采用强化传热措施的设备易于批量生产；
(3)要考虑强化方法与传热介质的相容性，保证强化效果持久有效。
制冷换热器强化传热可主要归结为对流换热的强化，主要问题是：表面传热系数增大效果与伴随的流体泵送功耗增大相比是否合适？这方面迄今可资参考的定量评判标准不多，对于单相对流换热，相关文献给出如下判据：
式中：Nu与Nu0分别为强化传热后与强化前对流换热努赛尔数；f与f0分别为强化后与强化前的达西摩擦阻力系数；下标Re表示相同Re数下的数值。一般认为，当φ大于1时，强化措施才有应用价值。
应当指出，制冷系统的性能系数明显地受制冷剂蒸发与冷凝温度影响，其中蒸发温度影响更为显著，特别是低蒸发温度的系统。因而选择制冷系统强化传热方式时还应考虑到工质压力降对性能系数的影响。从这个意义上讲，满足式(1)并不一定适合制冷系统，应结合系统具体特性综合分析选取。
制冷系统强化传热的方法
目前，制冷系统中强化传热主要通过换热表面加工处理实现。对制冷剂沸腾与凝结换热强化，主要通过各种高效传热管实现。对空气侧对流换热强化，主要围绕肋片形状、换热器表面物理化学处理等展开研究。此外，前已述及的板式、板翅式等紧凑式换热器均为高效换热器。
1、制冷剂凝结与沸腾换热强化
高效传热管是各种类型的低肋管(或微肋管)、多孔表面管的总称。对制冷剂与水热交换的氟利昂制冷系统，由于沸腾及凝结表面传热系数低于水强迫对流表面传热系数，强化表面一般主要考虑制冷剂侧。目前，常用高效传热管有以下几类。
1)内微肋管
近年来内微肋管在氟利昂制冷装置的蒸发器中被广泛采用。图2示出内微肋管剖面图，管内微肋数一般为60～70，肋高为0.1～0.2mm，螺旋角β为10°～30°，常用管直径d0＝12.7mm。由于小直径管可以使换热器结构更紧凑，强化传热效果更明显，目前有向更小管径发展的趋势。
在内微肋管结构参数中，对传热性能和流动阻力影响最大的是肋高。对于流动沸腾，微肋的作用在于提供汽化核心、增加表面张力的作用并增大传热面积；对于流动凝结，微肋的作用是在表面张力作用下使凝结液膜变薄并增大换热面积。
与其他形式管内强化措施相比，内微肋管的突出优点为：与光管相比可以使管表面传热系数增加2～3倍(以等长度光管面积为基准计算)，而压降的增加却只有1～2倍，强化传热明显大于压降增加。其次，微肋管与光管相比，单位长度管材的质量增加很少，成本低。微肋管在壳管式干式蒸发器中被大量应用，也可用来强化表面式蒸发器、空冷冷凝器的传热。
内微肋管可加工成图3所示的结构型式，由于管内螺旋形突起部分对流体扰动加强，强化传热效果更好。
2)强化管外凝结换热的低肋管及横纹管
氟利昂制冷系统的卧式壳管式冷凝器多采用低肋紫铜管强化管外凝结换热，其结构尺寸见于图4。
氨冷凝器采用图5所示的横纹管。该管采用变截面的机械滚轧方法加工成型，氨在管外表面凝结，水在管内流动。成型后的横纹管外表面有许多横向沟槽，管内相应地呈凸肋状。氨在横纹管外的冷凝情况与管子节距有关。节距合适的横纹管，表面张力对凝结液起控制作用，使凝结液全由沟槽下方滴落，光滑段液膜薄，换热效果好，如图5a所示。
节距太大的横纹管，重力起控制作用，冷凝液不是从沟槽处滴落，而是从光滑段中间滴落，液膜很厚，如图5c所示。图5b介于上述两者之间，采用横纹管，因管内有凸肋，水的强迫对流换热也有所增强。节距合适的横纹管，当水流速为1.0m/s时，其总传热系数是光滑管的1.6倍，而冷凝器中水的总压降是光滑管冷凝器的1.9倍。
3)管外沸腾换热强化管
强化管外沸腾传热的典型表面有图6所示四种。其中图6a所示为T型肋片管，这种管子滚轧成型，管外表面具有一系列带螺旋结构状的T字形肋片，肋片表面之间是宽度只有0.2－0.25mm的狭窄小缝，小缝下面是螺旋形槽道。蒸气泡在T型管槽道内运动，不断冲刷壁面上还在生长的气泡，使加热面上气泡脱离频率增加，从而强化了沸腾换热。由于进行T型表面机械加工时管子内表面也形成螺旋，故可同时强化管内对流换热。
图6b、c所示为机械加工复杂结构表面，其基本结构型式为表面环形微小槽道，上面开缝或孔，小孔密度可达每平方厘米300～400个。图6d为铜颗粒烧结表面多孔结构。制冷剂在这三种形式强化表面沸腾的机理由图6d所示，由于表面小孔/缝与槽道相通，制冷剂能经槽道循环加热。槽道中一部分液体汽化后，蒸气泡由小孔/缝脱离，液体由其他孔/缝流入。表面结构既提供了大量稳定的汽化核心，又在沸腾过程组织起气液频繁进出槽道的局部循环，从而有效地强化了沸腾传热。单管试验表明，单位面积热负荷相同条件下，多孔管的沸腾过热度可降低到光滑管的约1/10；工业现场试验表明，多孔管单位面积热负荷比低肋管高约36%，可比低助管节省约26%的换热面积。
2、空气侧换热的强化
空气在风冷冷凝器和表面式蒸发器管外流动，其表面传热系数远低于管内制冷剂凝结或沸腾的表面传热系数，必须进行强化。强化措施很多，包括改进翅片形状、增加管子排列密度、对蒸发器翅片表面处理、减少翅片与管子接触热阻等。
1)肋片形式改进
平直肋片结构简单，易于加工，但空气流经肋片时产生的边界层较厚，因而表面传热系数较低。为了克服此缺点，开发出不同几何形状的肋片，常见的有波纹肋片、裂缝肋片以及波纹条缝片。波纹肋片可使气流沿其表面曲折流动，增强气流扰动，从而强化对流换热。裂缝肋片和波纹条缝肋片属中断型肋片，中断型肋片的裂缝能破坏边界层，增强换热。波纹片比平肋片可提高表面传热系数约20%，裂缝片比平肋片提高约80%，波纹条缝片比平肋片高1～2倍。采用强化传热肋片后，空气侧流动阻力将增加。波纹片和裂缝片的阻力较平肋片高出50%～70%，波纹条缝片比波纹片高出30%～40%。
肋片形式宜与管内换热强化相配合。波纹条缝片与内微肋管组合，其传热系数比光滑管套平肋片高出40%～60%，而波纹片与内微肋管组合只比光滑管套平肋片高7%。可见采用内螺纹管后肋片形式对传热系数影响更大。
2)肋片间距
蒸发器表面结露、结霜均将导致热阻增大，风量减少，从而使表面传热系数下降。蒸发器表面的积水情况与肋片间距有关。大间距可减少肋片上的积水， 但使换热面积减少。试验表明，空调器用蒸发器的肋片间距宜取1.7～2mm。对于表面结霜的蒸发器，如冷库用冷风机，前几排管子结霜较严重，可以采用沿空气流向变间距的肋片。通常将管子分成2～4组，每组的肋片间距不等，前排间距比后面间距大，最大间距可达22mm。
3)空调用蒸发器的表面处理
因肋片间距小，湿空气在蒸发器表面结露时，凝水积聚会形成所谓“液桥”，使空气阻力增加，风量减少，传热恶化。国外从20世纪80年代起，发展了亲水镀膜技术。利用化学方法在肋片上形成稳定的高亲水薄膜，使凝水易于沿肋片表面流下。
制造亲水膜的方法有多种，如：“一水氧化铝法”、“水玻璃法”、“水软铝石法”和“有机树脂－二氧化硅法”。其中以“有机树脂－二氧化硅法”较先进，采用的材料由超微粒状胶体二氧化硅、有机树脂及表面活性剂构成。亲水膜厚度约为1～2μm。采用亲水性膜后，由于凝结水迅速排除，即使风速较高，水也不会飞溅。
4)减少接触热阻
铝片与铜管间接触热阻约占总热阻的10%，与涨管率有关，涨管率减少时接触热阻增加。接触热阻还与翅片翻边方式有关，双翻边虽然加工困难，但热阻较低，有利于套片和控制片间距。
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