管壳式换热器（三）：流体本身物性优化以及复合强化传热
换热器作为工业生产中进行热交换操作的通用设备，广泛应用于化工、电力、冶金、航空、动力、食品等工业部门中，特别在石油炼制及化学加工装置中占有重要地位。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。
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。
除了对换热器本身结构的改进优化，针对换热器本身流体的物性的改善也吸引众多学者的关注。纳米流体是一种由基液和纳米颗粒（尺寸小于100nm）组成的稳定均匀的液体，在研究中发现，纳米流体具有优异的热物性，能够有效地提高流体的热导率。这是由于流体中分散的纳米颗粒能够提高热导率，同时粒子不规则的运动会增大流体的湍流强度。常见的纳米颗粒有TiO2、Al2O3、CuO、Cu、多壁碳纳米管等，常见基液为水、乙二醇等。
SAJADI 等研究了二氧化钛/水纳米流体在圆管中的传热性能，当TiO2 纳米颗粒质量分数为0.25%、雷诺数为5000 时，流体的传热系数相比纯水提高22%。当雷诺数增加的时候，纳米流体传热系数的增加率减小。随着纳米粒子体积分数的增加，流体的压降也逐渐增加，当体积分数为0.25%时，流体的压降相比纯水增加25%。SURESH 等对Al2O3-Cu/水纳米流体流经圆管进行了实验研究，纳米颗粒的质量分数为0.1%。实验结果表明，混合纳米颗粒流体的努塞尔数相比纯水平均高出10.94%。当雷诺数为1730 时，流体的努塞尔数相对纯水增加最多为13.56%。纳米流体与纯水相比摩擦系数较大，升高约16.97%。SARAFRAZ 等对多壁碳纳米管/水纳米流体进行了实验研究，对不同的流量（700＜Re＜25000）、不同纳米流体的体积浓度（0.5%～1.5%）以及纳米流体不同的进口温度（50～70℃）的总传热系数及压降进行研究。
多壁碳纳米管纳米流体相对基液能将换热器的传热系数提高68%，提高纳米粒子的体积分数以及流体进口温度，可以增强传热效果。文中发现1%体积分数的纳米流体具有最佳的综合性能。HUANG 等将体积分数为0.0111%多壁碳纳米管纳米流体和1.89%的Al2O3/水按照1∶2.5 的比例进行混合，结果表明在相同体积流率下，混合纳米流体的传热系数相对Al2O3/水纳米流体较高，在给定的泵功下，混合纳米流体表现出较佳的传热性能，且压降增加与水相比并不明显，表明这种纳米材料具有良好的性能。针对纳米流体流经管壳式换热器的传热性能及压降也进行相关研究。
FARAJOLLAHI 等对γ-Al2O3/水和TiO2/水纳米流体在湍流状态下流经管壳式换热器进行了实验研究（图1），结果表明加入纳米粒子的流体相对基液传热速率明显提高，纳米粒子浓度较低时，TiO2 纳米流体相对Al2O3 纳米流体具有更好的传热性能。LOTFI 等进行多壁碳纳米管/水纳米流体流经水平放置的管壳式换热器的实验，发现纳米流体相对基液总传热系数提高约10%。但是纳米流体颗粒的表面活性较大，容易发生团聚，形成弱连接界面的团聚体。因此如何使纳米粒子均匀稳定分散于基液液体中，形成稳定性高、分散性好、团聚较低的纳米流体，是纳米流体应用于强化传热过程中所必须解决的问题。
图1纳米流体强化传热系统
潜热型流体是一种以相变材料为基础的集储热和强化传热功能于一体的新型工质，是由不同方法制备的相变材料微粒与单相流体组成的。主要有相变乳液及相变微胶囊悬浮液、熔融盐及离子液体等。相变乳液是通过机械搅拌将相变材料分散于含乳化剂的水中形成微乳液体系，利用相变材料的储能特性可提高流体的储能密度，但相变乳液大多具有非牛顿流体特性，黏度较大，容易堵塞管道。目前对相变乳液研究主要针对油/水体系，这种乳液黏度较小，不易堵塞管道，加入表面活性剂可形成稳定体系。DELGADO 等研究了石蜡乳液在螺旋管储热器中的换热性能，在温度范围为30～55℃内，石蜡乳液的热容相比水提高约50%，但乳液的热导率相对纯水较低。WANG 等制作了石蜡/水相变乳液，并加入石墨纳米粒子来提高溶液的热导率。发现质量分数为20%的石蜡/水乳液体系具有39.2J/g 的焓值及9.105J/(g·K)的比热容，整体溶液黏度较低（0.075Pa·s），具有良好的导热性、储热能力及稳定性。
相变微胶囊悬浮液是将相变材料使用高分子聚合物包裹成微胶囊颗粒，再将微胶囊分散到水中而形成。SARI 等以正二十八烷为相变材料，使用聚甲基丙烯酸甲酯进行包覆形成相变微胶囊，材料融化和凝固温度分别为50.6℃和53.25℃，相变焓值为86.4～88.5J/g，循环5000 次后发现材料焓值变化不大，证明其具有良好的稳定性。ZHANG 等用溶胶-凝胶法制备了正十八烷/二氧化硅相变微胶囊，极大提高了材料的热导率。但相变微胶囊悬浮液方法工艺相对复杂，成本较高，对其稳定性及热导率优化还需进一步进行研究。熔融盐是一种公认的中高温传热储能材料，具有储能密度大、黏度低、使用范围宽等优点，且由于无机盐本身价格低廉，熔融盐成本较低，目前已具备大规模商业生产能力，主要应用于太阳能热发电等中高温领域。常见的熔融盐包括硝酸盐、碳酸盐、氯化盐、混合熔融盐等。XIAO 等对熔融盐流经盘管换热器进行了实验研究，发现传热效果得到明显强化。PENG 等对硝酸钾、亚硝酸钠、硝酸钠以及5%质量分数的氯化物混合熔融盐进行热性能分析，结果表明添加氯化物的混合熔融盐热导率及储热密度均有较大提升。但熔融盐的高温热物性对换热系统对部件的耐高温、耐腐蚀性都提出了更高的要求。
离子液体是由有机阳离子与无机/有机阴离子构成的熔盐体系，在室温下呈现液态，因此也被称为低温熔融盐。作为一种新型功能材料，具有熔点低、分解温度高、化学稳定性好等优点，在余热回收、太阳能集热等领域具有很高应用潜力。但离子液体热导率较低，添加纳米粒子可以有效提升液体热导率。LIU 等对石墨烯/离子液体纳米流体进行研究。结果显示，添加高热导率的石墨烯后，纳米流体的热导率相对离子液体有明显上升，且添加石墨烯对液体有润滑作用，流体在中低温区黏度很低，降低了换热过程的功耗；并采用化学改性的方法进一步在石墨烯表面修饰化学基团
，增加其与基液的相容性，提升基于石墨烯纳米流体的稳定性。改性后的石墨烯/离子液体纳米流体的导热系数相比离子液体有所提升，质量分数为0.05%的改性石墨烯/离子液体纳米流体热导率相比基液增加10%左右，且黏度相比离子液体有所下降。同时，LIU等制备了改性的相变微胶囊并分散于离子液体(BMIM)BF4 中得到离子液体基潜热流体，采用三聚氰胺-甲醛树脂包裹石蜡得到相变微胶囊并用纳米石墨粉进行修饰。研究发现20%的改性相变胶囊潜热流体热导率相比基液增加了13%左右，比热容从1.721J/(g·K) 增大3.601J/(g·K) ， 增大幅度为109.2%，表明这种材料具有良好的传热储热性能。
复合强化传热技术是将两种或两种以上强化措施同时应用，以获得更高强化传热效果。针对复合强化传热研究已获得诸多关注，包括同时使用金属纽带及螺旋线对管内流体进行强化传热、使用纳米流体流经强化传热装置等。
DARZI 等模拟了Al2O3/水纳米流体流经螺纹管的传热过程，结果表明添加2% 和4%纳米粒子相对纯水传热系数提高21%和58%，同时使用两种强化方式相对纯水流经光滑管总传热系数增加330%。CHANDRASEKAR等对Al2O3/水纳米溶液流经插入螺旋线圈换热管传热效果进行研究。发现在光滑管内，添加0.1%纳米粒子的流体相对蒸馏水努塞尔数提高12.24%（雷诺数Re=2275），在内管添加螺旋线圈纳米流体努塞尔数相对光滑管可提高21.53%，且纳米流体相对纯水压降并无明显增加。
BAHIRAEI 等对Al2O3/水纳米流体流经不同螺旋角螺旋隔板进行研究，结果显示螺旋角越小，纳米流体传热系数及压降均增大。谭允开等进行了非牛顿纳米流体在弓形隔板光滑管换热器及螺旋翅片管换热器的实验对比，制备了质量分数为0.2%的黄原胶（XG）非牛顿流体，并在基液中添加多壁碳纳米管（MWCNTs）形成非牛顿纳米流体。在相同雷诺数下，非牛顿纳米流体在螺旋隔板翅片管换热器中壳程传热系数相对基液提高31.3%，弓形隔板光滑管换热器壳程传热系数提高18.3%。纳米流体在螺旋隔板和弓形隔板换热器中压降分别增加36.1%～52.6%和35.6%～41.1%，综合考虑整体性能，螺旋隔板翅片管换热器能够显著提高非牛顿纳米流体的传热性能。
HE等进一步对非牛顿流体在椭圆管螺旋隔板换热器中传热性能进行实验与数值研究，选用稳定性良好的3%质量分数的羧甲基纤维素水溶液作为非牛顿流体。结果发现与光滑圆管相比，椭圆管换热器单位面积传热量及壳程努塞尔数提高14.7%～16.4%和11.4%～16.6%，同时壳程摩擦因子减少29.2%～36.9%，表明椭圆管螺旋隔板换热器能显著提高非牛顿纳米流体的传热性能。复合强化传热技术相对单一方法具有更高的传热性能，随着强化传热技术的发展，许多换热器中已改用这一技术，但是对其复合方法的组合还需经过试验验证确认其有效性。