流流动的模拟等五个方面。其中又以流体诱导振动与传热表面污垢更为突出。
◆ 第一个突出的难题是换热器内流体诱导振动。
换热器内的流体诱导振动不仅造成传热元件的严重破坏，而且引起巨大的噪声污染。
换热器振动破坏的实例很多，未经报告的则可能更多。1969年TEMA（美国管壳式换热器制造者协会）调查了由11家公司制造的42台换热器，其中台24发生振动；1972年HTRI（美国传热研究公司）调查了66台换热器，其中有58台发生不同程度的振动；近年来，换热器振动破坏的实例更有增多的趋势。因为在现代换
热器设计中一方面比较倾向于设备的大型化，一方面又倾向于流动的高速度以提高传热系数和减少污垢热阻，因此增加了发生振动的可能性。
◆ 第二个突出的难题是换热器内部换热表面积垢。
换热器内传热表面积垢使传热能力大幅度降低，影响了换热器的基本效能。
污垢是热的不良导体，由于换热器内传热元件的传热系数一般较大，其壁面上的污垢热阻对传热可以起到控制性的作用。污垢恶化了换热器的传热性能，增加了原材料消耗；同时还会因为垢层的增加而减少流通面积，导致流动阻力增
加，据统计，由于污垢造成的损失在美国每年有70亿美元，英国有10亿美元。此外，传热表面污垢的聚集常常引起局部过热而使元件的机械性能降低，引发事故。污垢的聚集也常常导致垢下腐蚀，威胁设备的安全运行。
在污垢机理研究方面，由于污垢的形成是在动量、能量和质量传递同时存在的多相流动中进行的，其过程相当复杂，涉及到传热学、流体力学、化学动力学、胶体化学、统计力学和表面科学等不同学科的基础理论，多学科的交叉阻碍了研究的进程，目前的工作状态离解决这一问题确实还很遥远。
1.1.3弹性管束换热器技术原理
◆ 流体诱导振动复合强化传热理论的提出与应用
流体诱导振动是换热设备中普遍存在的一种现象。已经提出的流体诱导振动机理主要有：旋涡脱落、紊流颤振、流体弹性激振、声激振、两相流静压脉动等。很多研究者围绕这些机理作了大量研究工作，提出了许多新的理论模型与判别式，这些研究在指导换热器设计方面起到了积极作用。但这些研究几乎都致力于流体诱导振动的防止，而对其强化传热的影响很少讨论过。
振动的本质是能量的不断聚集与耗散，任何一种实际应用的传热介质在换热器内的流动都会由于粘性而产生积聚于传热元件上的能量。
用有限的振动使能量不断耗散，却有可能避免强烈振动所造成的元件损坏与噪声。弹性管束换热器通过使用一种新的传热元件，使之不仅能够在水流的波动中振动，同时能够通过其自身阻尼系统使振动不致任何失控，从而使振动成为不仅仅意味着噪声与元件损坏的能量表达方式。
这样就利用流体诱导的传热元件振动在流速极低时，对水流产生极大的扰动，提高对流换热系数，从而形成一种低流速下强化传热的新理论――流体诱导振动复合强化传热理论。
声 激 振
图1—1传统抗振动机理与流体诱导振动强化传热机理比较图 两相流静压脉动 紊 流 颤 振 旋涡 脱落 流体弹性激振 流体诱导振动强化传热 致力于流体诱导振动的避免，浪费大量能量，效果不明显 利用了流体诱导振动，变害为利，在避免振动对元件破坏的同时，大大提高能源利用率 ◆ 强化传热的场协同理论的应用
清华大学的过增元院士从研究对流换热的物理机理出发，提出了强化传热的场协同理论，在已经结题的973项目《高效节能的关键科学问题》中，该理论得到了初步的建立，并被验证具有广泛的适用性，成为近年来传热强化领域的新理论之一。
场协同理论认为，对流换热问题中流场和温度场的协同程度决定了对流换热的强度，场协同程度越好，对流换热强度越高。对于换热设备，存在冷流体和热流体。在一定的条件下，换热面的布置、换热器结构等都会影响冷热流体温度场之间的协同。当冷、热流体的温差在全场各处差别不大时，冷、热流体温度场间协同愈好，换热器效率愈高。因此，在温差较大的地方应该布置较大的换热面积，以改善温度场的分布，达到冷热流体温度场间的协同。
图1—2场协同理论在弹性管束应用中的效果图
弹性管束系列换热设备是场协同理论在换热设备中的应用，以其独特的结构和优良的换热性能充分证明了场协同理论的正确性，并形成了基于场协同理论的
传热强化新技术。
悬臂组合盘管结构充分利用了流体诱导的振动，并控制振动在非破坏机理之内，同时，流体扰动对传热元件产生的固定范围内的低频振动，改善了换热器壳侧的温度场，使冷热流体的温度场间达到了较好的协同程度，实现了弹性管束低流速下传热好的效果，从而进一步发展了传热过程强化与控制的场协同理论。
图1—3弹性管束系列换热设备实施效果图
1.1.4弹性管束换热器技术创新点
◆ 弹性管束换热器发展了传热过程强化与控制的场协同理论
流体扰动对传热元件产生的固定范围内的低频振动，改善了换热器壳侧的温度场，使冷热流体的温度场间达到了较好的协同程度，实现了弹性管束低流速下传热好的效果，从而进一步发展了传热过程强化与控制的场协同理论，并在2005年1月依靠对场协同理论的验证再次获得国家科技进步二等奖，现阶段正在对弹性管束后阶段研究成果申报973项目。我们相信，弹性管束的突破性创新将会带来极大的开拓发展空间！
◆ 弹性管束换热器解决流体诱导振动的方法创新
将换热器设计中对振动的严格防止转变为对振动的有效利用，并以此为契机，将换热器研究中分属不同领域的流体诱导振动与传热元件表面积垢关联起来，使传热元件在低流速下的对流换热系数大幅度提高的同时利用振动抑制传热元件表面积垢，降低污垢热阻，使换热器工作过程具有较高的协同度。
本技术提出了利用流体诱导振动实现强化传热的新方法。设计了一种新的传热元件——弹性管束。该传热元件不同于传统的设计模式，让传热元件从众多的约束中解脱出来，在管内外流体诱导下自由振动，依靠元件本身的振动特性使振幅通过系统阻尼得到有效控制，元件长期运行不致损坏，同时依靠振动大幅度地强化传热。该强化传热方式不需要消耗外部能源，属于无源强化。振动在强化管外对流换热同时减小污垢热阻，从而实现复合强化传热。
◆ 弹性管束换热器传热元件的结构创新
依据流体诱导振动复合强化传热理论，设计了一种新型的换热器传热元件--悬臂组合盘管——作为弹性管束换热器的换热元件，它在结构形式与在换热器内的布置等方面均与传统结构不同。其结构如图1—4所示。
图1—4悬臂组合盘管结构和实体图
它具有C、D固定端和A、B两个自由端，在换热器内呈水平悬臂多层布臵。运行过程中热流体自C点流进管内放热后由D点流出。E点是刚性连接体，在作胀接工艺之用的同时，对悬臂组合盘管的振动具有重要作用。通过盘管曲率半径R、管径d、壁厚?及E点附加质量m等参数的组合，使其固有频率的分布能够被液体的脉动诱发起具有小振幅且频率较高的振动而被用来强化换热，强化传热效果十分显著，平均对流换热系数比无振动时的管束传热提高300％以上。同时，其表面的振动引起的管子变形能有效地使管壁上的污垢剥落，使污垢热阻明显降低。