強化傳熱技術(shù)及新型熱交換器PPT課件

1、 換熱器是實現(xiàn)熱交換過程的設(shè)備。它廣泛應(yīng)用于電力、化工、煉油、制冷、低溫、冶金、建材、環(huán)保、航天、航空、食品、輕工、醫(yī)藥等部門，是量大面廣的通用設(shè)備。以石油化工為例，各種換熱器重量占工藝設(shè)備總重的40%。在年產(chǎn)30萬噸的乙烯裝置中，各種換熱器達300-500臺。第1頁/共127頁換熱器研究進展主要反映在： （1）將殼程強化傳熱技術(shù)應(yīng)用于管殼式換熱器 （2）在換熱器中采用各種異形管和異形翅片管 （3）利用誘導振動強化換熱器中的換熱過程 （4）將蜂窩陶瓷用于蓄熱式換熱器中第2頁/共127頁典型兩流程固定管板式管殼式換熱器 管殼式換熱器第3頁/共127頁三流程管殼式換熱器三流程管殼式換熱器第4頁/共

2、127頁四流程管殼式換熱器四流程管殼式換熱器第5頁/共127頁浮頭式管殼式換熱器浮頭式管殼式換熱器第6頁/共127頁U U形管管殼式換熱器形管管殼式換熱器第7頁/共127頁管殼式換熱器第8頁/共127頁典型折流板管殼式換熱器有不同的管子排列方式。正方形排列第9頁/共127頁三角形排列三角形排列 三角形排列第10頁/共127頁 強化殼程的換熱的途徑有兩種： 1、改變管子的外形或在管外加翅片，即通過管子形狀和表面特性的改變來強化傳熱,如螺旋槽管、橫紋管、外翅片管等； 2、改變殼程擋板或管間支撐物，以減小或消除殼程流動和傳熱的滯留死區(qū)，使傳熱面積得到充分利用。 在管殼式換熱器中與管內(nèi)的換熱相比，殼程

3、的換熱往往要弱得多，因此強化殼程的換熱就顯得很重要。 第11頁/共127頁折流板與折流型式折流板與折流型式-1-1折流板也有不同的形式，由于折流板形式不同，殼側(cè)折流的情況也不一樣。第12頁/共127頁折流板的作用：1）作為管子的支撐結(jié)構(gòu)；2）使殼側(cè)流體提高流速并橫掠管束，從而強化傳熱。第13頁/共127頁折流板的缺點：1）殼側(cè)流動阻力大；2）存在流動死區(qū)和折流板孔隙的漏流，使實際傳熱效果低于理論值；3）引起誘導振動，從而導致管子斷裂。第14頁/共127頁漏流損失漏流損失主流殼間的間隙漏流折流板孔隙漏流第15頁/共127頁1）漩渦脫落；2）紊流抖振；3）流體彈性激振。流體橫掠管束引起誘導振動的原

4、因：第16頁/共127頁紊流能譜及其響應(yīng)紊流能譜及其響應(yīng)：第17頁/共127頁流體橫掠速度與振動振流體橫掠速度與振動振幅幅：第18頁/共127頁1）管子互相碰撞，當管子振動振幅大到足以使相鄰管子經(jīng)常撞擊時，就會使管壁磨損變薄，直至破壞；2）管子與折流板孔壁因振動而不斷撞擊，從而引起管子破裂；3）振動使管子與管板連接處受到很大的應(yīng)力，久而久之就造成脹接和焊接點因應(yīng)力而損壞，并造成接頭泄漏；4）管子因振動反復彎折而引起應(yīng)力疲勞，長時間連續(xù)振動就會導致管子破裂；5）振動引起應(yīng)力脈動，會使管材中的微觀缺陷擴展，直至產(chǎn)生裂紋。誘導振動對換熱器的損傷主要表現(xiàn)在：第19頁/共127頁減少誘導振動的措施有：1

5、）降低橫掠管束的流速；2）提高傳熱元件的固有頻率，如增加管壁厚度、減少管子跨度等。顯然，這兩個措施是矛盾的。若要減少管子跨度，就需增加折流板的數(shù)目。而折流板的數(shù)目增加，又會使橫掠管束的流速增加。此時為減小流速，就只有增加殼體的直徑，而且流速降低會使換熱系數(shù)下降。最有效的防止誘導振動的方法是使流體由橫掠管束改為縱掠管束。但縱掠管束的換熱系數(shù)又不如橫掠管束。這也是一對矛盾。這也正是新型折流桿管殼式換熱產(chǎn)生的背景。誘導振動的減少與防止第20頁/共127頁 改進板式支撐結(jié)構(gòu) 雙弓形及多弓形折流板 螺旋折流板 整圓形隔板 花隔板 第21頁/共127頁折流板與折流型式折流板與折流型式-2-2第22頁/共1

6、27頁折流板與折流型式折流板與折流型式-3-3第23頁/共127頁 螺旋折流板是將傳統(tǒng)的垂直弓形板換成螺旋狀或近似于螺旋狀的折流板，折流板與換熱器殼體的橫斷面有一個傾斜角度，從而使流體在殼程沿螺旋通道流動第24頁/共127頁 將殼程流體由橫掠管束改為縱掠管束就能完全消除流動死區(qū)并防止管子產(chǎn)生誘導振動。但眾所周知流體橫掠管束的換熱高于縱掠管束。因此為了實現(xiàn)流體縱掠管束并使換熱得以強化，就出現(xiàn)了各種整圓形隔板。最初出現(xiàn)的整圓形大孔隔板就是在圓形隔板上鉆比管子大的圓孔，既讓管子通過，又有足夠的間隙讓流體通過。第25頁/共127頁這種整圓形隔板制造方便、因流體縱掠管束流動阻力小、可適當提高殼側(cè)流速以增

7、強殼側(cè)的換熱；管內(nèi)外流體亦可布置成全逆流式，以增大傳熱溫差。此外由于管壁與孔板之間的環(huán)形間隙對流體可產(chǎn)生射流作用，既增強了傳熱，又使管壁不易結(jié)垢。但采用整圓形大孔隔板不但增大了換熱器的直徑，而且由于管子缺乏支撐，管束的抗振能力很差。第26頁/共127頁 為了改進整圓形大孔隔板的不足，出現(xiàn)了帶小孔的整圓形隔板，即在管孔之間開小孔，使傳熱流體由小孔通過，這樣就不用增大殼體的直徑。但帶小孔的整圓形隔板管子和管孔之間的間隙很容易結(jié)垢，引起腐蝕。為了克服這一缺陷，出現(xiàn)了矩形孔、梅花孔等異形孔的整圓形隔板。 當隔板間距為50mm時，梅花孔板的傳熱系數(shù)是矩形孔板的1.51.6倍第27頁/共127頁第28頁/

8、共127頁 花隔板是我們在整圓形隔板的基礎(chǔ)上提出的一種新型殼側(cè)支撐結(jié)構(gòu)。所謂花隔板是在圓形隔板的四個象限的某一象限或兩個象限（最多三個象限）上開有管孔，作為管束支撐，而未開管孔的象限則是空的，或鉆有很大的孔，作為流體的通道。花隔板交替布置，相鄰兩塊隔板的空缺部分相差一個相同的角度，即后一塊隔板相對于前一塊隔板繞中心軸線順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)一個角度，此角度可以是30，60或90等，如此往復。這樣的結(jié)構(gòu)就可以使流體在縱向流動的同時發(fā)生偏轉(zhuǎn)以達到強化換熱的目的。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是既能強化換熱，又簡化了換熱器的制造。 第29頁/共127頁第30頁/共127頁 花隔板的試驗研究 換熱器殼體尺寸為159m

9、m5mm，為標準生產(chǎn)件。換熱管尺寸16mm0.8mm，材料為鉻鎳鋼，有效換熱長度是1473mm，隔板采用拉桿固定，共4根拉桿，拉桿外徑為12mm?；ǜ舭骞?塊，板間距為170mm，花隔板芯體中換熱管采用正方形布置，管間距為20mm。殼側(cè)進口與第一塊隔板間距為175mm。兩塊花隔板旋轉(zhuǎn)的角度為90。第31頁/共127頁 花隔板換熱器與折流板換熱器綜合性能K/p比較圖第32頁/共127頁 由圖可知，在殼側(cè)流體體積流量相同的情況下， 花隔板換熱器的綜合性能K/p 比折流板換熱器綜合性能K/p高1030。第33頁/共127頁 采用其它支撐結(jié)構(gòu) 桿式支撐結(jié)構(gòu) 空心環(huán)支撐結(jié)構(gòu) 管子自支撐結(jié)構(gòu) 第34頁/共

10、127頁 為了解決傳統(tǒng)折流板換熱器因流體橫掠管束所引起的誘導振動，出現(xiàn)了桿式支撐結(jié)構(gòu)，即所謂的折流桿換熱器。其主要特點是：殼程不再設(shè)置折流板，而由折流桿組成的折流圈來代替折流板，它既對管子起支撐作用，又對流體起擾動作用，藉以達到強化傳熱的目的。 第35頁/共127頁新型換熱設(shè)備折流桿管殼式換熱器換熱器種類繁多，結(jié)構(gòu)各異，其中管殼式換熱器應(yīng)用最廣，約占各類換熱器總量的70%。第36頁/共127頁折流桿換熱器（折流桿換熱器（Rod baffle Rod baffle heat exchanger)heat exchanger)的簡介的簡介 折流桿換熱器是1970年由美國菲利浦石油公司首創(chuàng)的。而我國

11、在80年代初期開始研究折流桿換熱器，最先是應(yīng)用在石油化工行業(yè)上，近幾年我國自主開發(fā)折流桿換熱器的工作取得迅速發(fā)展，折流桿換熱器在逐漸被人們認識的同時，也將逐步取代折流板換熱器。第37頁/共127頁折流桿換熱器（折流桿換熱器（Rod baffle heat Rod baffle heat exchangerexchanger）的特點）的特點1）以折流桿所組成的折流柵來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的折流板。折流桿對管子起支撐作用，又對流體起擾動強化傳熱作用。第38頁/共127頁2）將流體橫掠管殼改作縱掠管束，從而從擾動的源頭上有效的防治誘導振動的產(chǎn)生。折流板換熱器芯折流桿換熱器芯第39頁/共127頁折流桿管殼式換熱器

12、的結(jié)構(gòu)-1：第40頁/共127頁折流桿管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)-2：第41頁/共127頁折流桿管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)- 3：第42頁/共127頁折流桿管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)- 4：第43頁/共127頁折流桿管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)- 5：第44頁/共127頁折流桿管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)- 6：第45頁/共127頁折流桿管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)- 7：第46頁/共127頁折流桿管殼式換熱器的優(yōu)點折流桿管殼式換熱器的優(yōu)點1）由于殼側(cè)流體是縱掠管束，防止了誘導振動的產(chǎn)生，提高了換熱器的安全性。2）大大減少了殼側(cè)流體的流動阻力，降低了管側(cè)的泵功，節(jié)約能源。3）由于折流桿增強了流體的擾動，減少了橫掠管束時的流動死區(qū)和漏流損失。從而強

13、化了殼側(cè)的換熱，即殼側(cè)的換熱系數(shù)不但不低于橫掠時換熱系數(shù)，而且視殼側(cè)介質(zhì)、流速以及有無相變等情況，傳熱系數(shù)反而可提高5%-30%。4）減少了污垢的沉積和腐蝕的產(chǎn)生，提高了換熱器的使用壽命。第47頁/共127頁對折流桿管殼式換熱器，課題組進行了系統(tǒng)的研究，為折流桿換熱器的設(shè)計和殼換熱器的改造積累了豐富的資料。研究包括：1）不同的傳熱介質(zhì)（水-水、水-蒸汽凝結(jié)、水-油、水-空氣等）；2）不同的折流柵的間距（等間距、不等間距）；3）不同的折流形狀（圓形桿、方形桿等）；4）不同的管子布置方式（正方向、三角形等）；5）折流桿和管子間的不同組合方式（四桿夾一管、四桿夾二管等）。第48頁/共127頁 折流桿

14、管殼式換熱器已在國內(nèi)逐步推廣。其中在石油、化工行業(yè)已取得明顯的成效。如呼和浩特煉油廠常減壓裝置上一次就使用8臺折流桿換熱器。其每臺傳熱面積比原折流板換熱器減少30%，折流桿冷凝器也應(yīng)用于20個煉油廠。但是，在電力行業(yè)方面一直未得到充分應(yīng)用。課題組與茂名市茂港電力設(shè)備廠合作，已將其成功應(yīng)用在電廠的海水閉式冷卻器和低壓加熱器上。第49頁/共127頁應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例1-1-折流桿海水閉式冷卻折流桿海水閉式冷卻器器華能汕頭電廠2號機閉式冷卻器是俄供產(chǎn)品，單臺機組設(shè)置兩臺100%容量的銅管折流板式換熱器，按俄羅斯設(shè)計要求，正常運行時一臺冷卻器工作，另一臺冷卻器備用，實際兩臺冷卻器均投入運行。俄產(chǎn)銅管折流

15、板式冷卻器在運行中經(jīng)常出現(xiàn)斷管泄漏，斷管數(shù)每年超過200根/臺。 華能汕頭電廠本次閉冷器改造，是將2號機兩臺俄產(chǎn)銅管折流板式冷卻器中的其中一臺，更換為茂名市港電力設(shè)備廠生產(chǎn)的單臺100%容量鈦管折流桿式冷卻器，要求改造后的閉冷器正常運行時，單臺新閉冷器工作，另一臺舊閉冷器備用。 第50頁/共127頁 鈦管折流桿式大型水水冷卻器，在我國電力系統(tǒng)應(yīng)用，尚屬首例。通過詳細分析、精心設(shè)計、周密計算，確定了華能汕頭電廠閉冷器改造方案，根據(jù)這一方案制造出了我國第一臺鈦管折流桿式大型水水冷卻器。該臺鈦管折流桿式水水冷卻器2001年12月9日運抵華能汕頭電廠安裝，2001年12月30日投入運行，經(jīng)過10個月的

16、運行后，由廣東省電力試驗所對該臺設(shè)備進行了測試。第51頁/共127頁性能測試報告第52頁/共127頁設(shè)計參數(shù)設(shè)計參數(shù)la.閉冷水 工作壓力（MPa） p2=0.45 工作壓力（MPa） ps=0.6 出口溫度（ C） t1”35 水量（m3/h） V1=2600lb.循環(huán)冷卻水（海水） 工作壓力（MPa） pt=0.1 工作壓力（MPa） pt=0.6 出口溫度（ C） t1”32 水量（m3/h） V2=3700第53頁/共127頁改造前后閉冷器參數(shù)改造前后閉冷器參數(shù)第54頁/共127頁試驗結(jié)果評價l試驗換熱系數(shù)在29003230 W/(m2)范圍之間，大于設(shè)計的換熱系數(shù)，分析認為主要有以下

17、幾方面的因素：la.循環(huán)水流量超過設(shè)計值3700m3/h約750 m3/h，增大了管側(cè)的換熱系數(shù)；lb.閉冷水流量超過設(shè)計值2600m3/h約140m3/h，增大了殼側(cè)的換熱系數(shù)；lc.由于換熱器管材為鈦管，同時水流速度較大，管壁兩側(cè)不易結(jié)垢，運行10個月后，污垢熱阻仍較小。第55頁/共127頁試驗結(jié)果評價-經(jīng)濟性分析la.新型折流桿式換熱器一臺的換熱性能達到了改造前兩臺折流板式換熱器的效果，減少了循環(huán)水量，節(jié)約了能源。根據(jù)試驗，改造前兩臺折流板式換熱器需要7400 m3/h的循環(huán)水量，改造后為4450 m3/h，節(jié)約了2950m3/h的循環(huán)水量，相當于循環(huán)水泵節(jié)約用電325KW，全年可節(jié)省廠

18、用電250萬度，節(jié)約費用50萬元。第56頁/共127頁試驗結(jié)果評價-經(jīng)濟性分析 b.同時又解決了閉冷器換熱管經(jīng)常斷裂的問題，避免了經(jīng)常檢修換管，提高了設(shè)備的投入率和機組運行的安全性，降低了勞動強度和勞動時間，節(jié)約了資源。根據(jù)改造前的檢修經(jīng)驗和記錄，平均每兩年對換熱管全部更換，費用高達一百多萬。根據(jù)分析，新型折流桿式換熱器既節(jié)約了能源，又降低了設(shè)備的檢修費用，新型折流桿式換熱器的改造費用成本一般可以在18個月的運行時間收回。第57頁/共127頁結(jié)論l利用新型折流桿換熱器改造舊的折流板換熱器，解決了閉冷器管子斷裂問題，并用一臺取代兩臺運行，減化了系統(tǒng)，節(jié)約了能源和資源，費用成本回收時間短，具有重要

19、的推廣價值。la.閉冷器出口端差均值為1.9，小于設(shè)計要求值2.5，滿足改造廠家要求。lb.新型折流桿閉冷器較傳統(tǒng)的折流板式換熱器換熱性能明顯增強，管道系統(tǒng)簡單明了。lc.折流桿消除了殼程流體流動死區(qū)，增加了有效換熱面積，強化了傳熱，提高了傳熱效率，試驗證明，華能汕頭發(fā)電廠2號機組閉冷器換熱系數(shù)達到29003230 W/m2 .范圍，同時減少了污垢沉積和腐蝕。第58頁/共127頁鑒定報告第59頁/共127頁應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例2-2-折流桿低壓加熱器折流桿低壓加熱器韶關(guān)發(fā)電廠# 8汽輪機組表面式加熱器性能試驗報告廣東省電力試驗研究所廣東省韶關(guān)發(fā)電廠第60頁/共127頁概述概述長期以來，韶關(guān)發(fā)電廠#

20、8機#4低加其折流板由于流體橫向沖刷管束引起U形彎頭及換熱器與管板連接破裂，加之蒸汽的影響，也引起管身的破裂。另外#8機軸封加熱器和軸封冷卻器換熱面積不夠。因此在1998年決定對之實施改造。1998年，電力工業(yè)部茂港電力設(shè)備廠對該機組#4低壓加熱器實施了改造。將折流板改為折流桿換熱器，將原錫黃銅換熱管改為鍋爐用無縫鋼管。同時根據(jù)改造協(xié)議設(shè)計、制造和更換了軸封加熱器和軸封冷卻器。為了準確評估加熱器改造后的性能指標，廣東省電力試驗研究所進行改造后的加熱器性能驗收試驗。 第61頁/共127頁試驗結(jié)果表明：改造后的加熱器達到了改造技術(shù)協(xié)議的要求。#4低壓加熱器在機組帶滿負荷時溫升不低于21oC；軸封加

21、熱器和軸封冷卻器的端差不超過5oC，其他指標亦達到了有關(guān)技術(shù)要求。試驗?zāi)康脑囼災(zāi)康谋敬卧囼灉y定以下內(nèi)容： 1）加熱器端差； 2）溫升； 3）水阻； 4）汽阻。 第62頁/共127頁結(jié)論結(jié)論 1）#4低壓加熱器在機組帶滿負荷時溫升不 低于21 ； 2）軸封加熱器和軸封冷卻器的端差不超過5； 3）其他指標亦達到了有關(guān)技術(shù)要求。 第63頁/共127頁總結(jié)總結(jié)折流桿管殼式換熱器是一種新型、高效的換熱器。既可以在殼體不變的情況下對現(xiàn)有折流板管殼式換熱器進行改造，也可以重新設(shè)計新的折流桿換熱器。它具有殼側(cè)流動阻力小、傳熱系數(shù)高、無振動、不斷管、安全性好等許多優(yōu)點，是一種值得大力推廣的熱交換器。第64頁/共

22、127頁折流桿換熱器的使用業(yè)績折流桿換熱器的使用業(yè)績第65頁/共127頁第66頁/共127頁 空心環(huán)支撐結(jié)構(gòu)是采用空心環(huán)作管間支撐物，空心環(huán)由直徑較小的鋼或鋁管截成短節(jié)而成，均勻地分布于管間的同一截面上，與管子成線性接觸，流體縱掠管束時，因空心環(huán)對管間流體的反復擾動，使殼側(cè)的換熱得以增強。在相同的殼程壓降下，采用空心環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器的殼側(cè)換熱系數(shù)可比傳統(tǒng)單弓折流板換熱器高100%。 第67頁/共127頁第68頁/共127頁 為了簡化管束支撐，提高換熱器的緊湊度，進幾年出現(xiàn)了利用管子自身作支撐結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器。例如螺旋扁管、螺旋橢圓扁管、交叉縮放橢圓管都可利用自身作為管束支撐。這類換熱

23、器均利用相鄰管突出處的點接觸支撐管子，且管內(nèi)外流體換熱均能得到強化。第69頁/共127頁 在換熱器中采用各種異形管和異形翅片管第70頁/共127頁我們開發(fā)的各種類型翅片管我們開發(fā)的各種類型翅片管第71頁/共127頁各種金屬軋制管各種金屬軋制管第72頁/共127頁繞帶管繞帶管第73頁/共127頁繞帶管的應(yīng)用繞帶管的應(yīng)用第74頁/共127頁繞簧管第75頁/共127頁第76頁/共127頁內(nèi)插入物管內(nèi)插入物管第77頁/共127頁橢圓熱管空氣預熱橢圓熱管空氣預熱器器第78頁/共127頁橢圓翅片管空冷器橢圓翅片管空冷器第79頁/共127頁世界上第一座直接空冷電站的空冷器第80頁/共127頁化工廠的空冷器化

24、工廠的空冷器 第81頁/共127頁煉油廠的空冷器煉油廠的空冷器第82頁/共127頁根據(jù)我們的研究，橢圓矩形翅片管有如下優(yōu)點：與圓管相比，流動阻力小傳熱系數(shù)大。這是由于橢圓管呈流線型，在橫掠氣流中，流體分離點后移，從而減少了管后的漩渦區(qū)，另外橢圓管前半部的邊界層比圓管薄。這些因素有利于增強傳熱和減少流阻，通常流速下可以比圓管圓形翅片流阻減低50%以上；橢圓管的傳熱面積比同樣截面的圓管大15%，因此在相同流速下，管外換熱面積可提高15%；在相同的條件下，橢圓管的傳熱周長比圓管大，因此管內(nèi)熱阻小，有利于管內(nèi)介質(zhì)的傳熱；對于同樣材料的翅片，矩形翅片比圓形翅片效率高8%；矩形翅片上開有擾流孔，它可以使橫

25、掠氣流擾動，從而減薄管壁及翅片上的邊界層，能強化管外側(cè)的換熱；第83頁/共127頁1橢圓矩形翅片管可以布置得緊湊，它占風道的面積僅為圓管的80%；橢圓矩形翅片管順著流動方向剛性好，垂直于流動方向又有一定的柔性，在橫掠氣流中誘導振動的振幅小，抗熱應(yīng)力的能力強；由于橢圓套矩形翅片后，整體熱浸鋅，翅片呈L型，與橢圓管接觸面積大，加上浸鋅后，鋅填充在翅片和橢圓管之間，既增加了橢圓管的承壓性，又消除了接觸熱阻，使翅片管的傳熱性能大大改善；由于整體熱浸鋅，橢圓翅片管抗腐蝕的能力強，能夠在較惡劣的工況下長期工作；由于采用鋼管和矩形鋼翅片，管組強度高，冷卻器能用高壓水沖洗。 第84頁/共127頁大型直接空冷電

26、站的空冷器 第85頁/共127頁電站的空冷器的細部 第86頁/共127頁 利用誘導振動強化換熱器中的換熱過程第87頁/共127頁l有源強化技術(shù)主要有：機械攪動表面振動流體振動電磁場噴射或抽吸形狀記憶合金彈簧第88頁/共127頁彈性盤管換熱器的原理 換熱器內(nèi)流體誘發(fā)振動和傳熱表面積垢是強化傳熱技術(shù)中一直未能夠解決的世界性難題。 彈性盤管以自由振動防止振動破壞并利用振動強化傳熱。 利用水流產(chǎn)生擾動提高對流換熱系數(shù)的同時，利用振動變形減少積垢。第89頁/共127頁第90頁/共127頁第91頁/共127頁第92頁/共127頁測試結(jié)果測試結(jié)果第93頁/共127頁受熱面振動與強化傳熱 傳熱強化 傳熱面振動

27、能夠直接破壞邊界層而獲得傳熱的增強 ，振動雷諾數(shù)足夠高，可達10倍。 振動產(chǎn)生方法 人工產(chǎn)生傳熱面振動，通常使用電力振動器或機械傳動偏心裝置來實現(xiàn) 存在的問題 可能導致管子斷裂；耗費的能量比增強傳熱所獲得的收益要高 第94頁/共127頁流體脈動與強化傳熱（1） 脈動流的產(chǎn)生： 利用流體脈動裝置（脈動閥門、空氣脈動器、往復泵、揚聲器、超聲波發(fā)生器、振蕩器, ）使流體在管內(nèi)產(chǎn)生脈動。 強化傳熱的效果： 大多數(shù)結(jié)果對換熱有不同程度的增強；少數(shù)則相反。 與脈動頻率，脈動幅度，脈動閥門位于換熱器的上游 或下游等有關(guān)。第95頁/共127頁流體脈動與強化傳熱（流體脈動與強化傳熱（2） 對于高粘度流體和非牛頓

28、流體的層流運動基本沒有強化傳熱的效果。 可使氣流在雷諾數(shù)為1500時就變?yōu)橥牧鬟\動，而對于原來即為湍流的氣流，脈動基本不增強傳熱。 聲波頻率下的脈動 實驗證明換熱器中水在聲波頻率下的脈動，不僅可以增強傳熱，而且還能預防水溶液中鹽分在管壁上的沉淀。 第96頁/共127頁流體脈動與強化傳熱（3） 流體的來流湍流度： 流體的來流湍流度對橫向流過管束的傳熱強度影響不亞于表面振動。 主要的問題： 要專門的設(shè)備，能量的消耗。 研究的方法： 實驗研究 理論研究：脈動頻率不大時作準穩(wěn)態(tài)處理；振蕩流體力學；適于簡單情況的簡單模型；數(shù)值計算方法。第97頁/共127頁小擾動強化傳熱的機理（1） 穩(wěn)定性與振動的本質(zhì)

29、從受力來看： 流體或受熱面受到的各種力失去平衡，導致失穩(wěn)，進入另一種穩(wěn)態(tài)；或再受到恢復力的作用而回復，引起振蕩，只要輸入的能量能等于阻尼引起的能量消耗，振蕩就能持續(xù)下去。 從系統(tǒng)來看： 如果系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定環(huán)節(jié)；或輸出對輸入有正反饋，則輸入的小擾動就能被放大，引起不穩(wěn)定或振動。 流體用偏微分方程、受熱面可以用常微分方程描述第98頁/共127頁小擾動強化傳熱的機理（2） 流體的穩(wěn)定性與脈動 層流的失穩(wěn)；湍流強度的增加 流體的宏觀脈動：整體周期振蕩，流場有序的大渦 流體在聲學頻率下的振動（聲振，水擊） 聲共鳴：氣體流過換熱器管束時，可能產(chǎn)生一個既垂直于管子又垂直于流動方向的駐波，并在換熱器內(nèi)壁之間

30、穿過管束來回反射；同時流體橫掠管束時在管子后面形成漩渦分離，駐波在來回反射的過程中漩渦分離的能量不斷輸入，當頻率耦合時引起共振。共振的聲學波能使沿園柱體跨度方向漩渦關(guān)聯(lián)起來。 聲學頻率與管間節(jié)距，隔板間距等有關(guān)。第99頁/共127頁小擾動強化傳熱的機理（3） 流體誘發(fā)受熱面振動的機理 湍流撞振： 湍流的隨機壓力與速度的波動引起。 可改變來流的湍流度，管束排列方式等來改變。 漩渦脫落 管兩側(cè)漩渦交替脫落造成阻力與升力的交替變化。 繞振 當管陣中某根管子發(fā)生位移后，流場的均勻性被破壞，相鄰管的力的平衡被破壞。 噴流交替 振動由管排后面噴流的耦合與失耦而產(chǎn)生。 與上游尾流相互作用形成第100頁/共1

31、27頁小擾動強化傳熱的機理（4） 小擾動強化傳熱的機理 層流時： 由小擾動誘發(fā)流動失穩(wěn)，形成湍流。 湍流時： 由小擾動誘發(fā)流體的脈動。 由小擾動誘發(fā)流體的脈動，并使其固有頻率與受熱面固有頻率耦合，引起受熱面振動。 由小擾動誘發(fā)流體的脈動，并使其固有頻率與受熱面固有頻率耦合，并與漩渦脫落頻率耦合，與換熱器內(nèi)聲學波共振，形成有序有大渦，直接沖刷受熱面。第101頁/共127頁小擾動如何誘發(fā)流體振動小擾動如何誘發(fā)流體振動 擾動誘發(fā)流體的脈動，通過與受熱面固有頻率的耦合，與漩渦脫落頻率的耦合，與聲場固有頻率的共振，使擾動能放大并維持一定數(shù)值，達到強化傳熱、防止結(jié)垢、防止破壞的目的。 流體脈動誘發(fā)盤旋管、

32、盤旋懸伸管、盤形管、波紋管振動。 殼程切向進水、切向?qū)_進水誘發(fā)流體的脈動。第102頁/共127頁 已獲得的初步試驗成果 試驗換熱器中的部分傳熱管被薄壁波紋管代替,該薄壁波紋管內(nèi)不走流體(所謂假管),其作用是在流體的作用下誘發(fā)振動,從而使相鄰管的傳熱得以強化。試驗證明，當換熱面積中假管面積占1/6時其換熱量與無假管時一樣，這樣就可用不銹鋼管代替部分價格昂貴的鈦管，從而大大節(jié)約換熱器的制造成本。第103頁/共127頁與傳統(tǒng)振動及脈動方法的不同之處 通過小擾動誘發(fā)流動的不穩(wěn)定，破壞邊界層或?qū)恿鞯讓?，以很小的能耗達到強化傳熱的目的 受熱面可以不振動，關(guān)鍵是小擾動裝置與換熱器內(nèi)流體的相互作用，形成持續(xù)

33、的脈動、振蕩、大渦。 小擾動強化傳熱的難點 使流體、換熱面對小擾動作出響應(yīng)，使部分原來被無序的湍流耗散的能量輸入到有序的脈動，使小擾動能放大，并維持一定強度與方向。第104頁/共127頁陶瓷蓄熱式換熱器的應(yīng)用前景 能源緊缺是目前世界上普遍存在的嚴重問題，“高能耗，高排放，低效率”一直是制約我國經(jīng)濟快速發(fā)展的一個瓶頸，針對目前我國工業(yè)爐普遍具有的排煙溫度高這一問題，采用在煙道中裝陶瓷蓄熱式換熱器對煙氣的余熱進行回收利用以達到節(jié)能目的。第105頁/共127頁我國工業(yè)爐能源利用現(xiàn)狀 “兩高一低” 高排放,高能耗,低效率 爐子排煙溫度高,對我國冶金工業(yè)重點企業(yè)和地方企業(yè)的202座加熱爐排煙溫度調(diào)查表明

34、 小于700 占41% 700-900 占51% 大于900 占 8%實踐證明,排煙溫度每降低100 ,爐子的熱效率可以提高5%-7%. 第106頁/共127頁 余熱回收裝置流程圖余熱回收裝置冷空氣 常溫預熱空氣 900煙氣 1000低溫煙氣 200第107頁/共127頁第108頁/共127頁陶瓷蓄熱式換熱器的優(yōu)點 空氣和煙氣在蓄熱體內(nèi)的流動方向相反,可以很大程度避免堵灰. 即使蓄熱體因長期使用有破損,也不會發(fā)生空氣和煙氣發(fā)生滲混. 蓄熱體比表面積大,減小了換熱器的外型尺寸. 陶瓷成本低廉,耐高溫和腐蝕,能大批量生產(chǎn),制造精度要求低. 第109頁/共127頁三種陶瓷蓄熱體 通過率通過率 球體

35、9% 六邊蜂窩 62% 方孔蜂窩 58% 比表面積比表面積 球體 240m2/m3 六邊蜂窩 504m2/m3 方孔蜂窩 961m2/m3 第110頁/共127頁 實驗裝置圖熱風風機電加熱管及保溫層電流互感器 蓄熱室 冷風風機空氣壓縮機脈沖發(fā)生器變頻器IJA BC DE FG H溫度調(diào)節(jié)箱第111頁/共127頁第112頁/共127頁實驗結(jié)果 1 三種蓄熱體阻力性能測量第113頁/共127頁第114頁/共127頁 阻力損失實驗測量結(jié)果流量Nm3/h 20 25 30 35 39 42 45 48 51方孔蜂窩Pa 25 30 35 45 60 65 70 75 79計算值Pa 23.7 32.0

36、 41.3 51.6 60.5 67.6 75.1 82.9 91.4六邊蜂窩Pa 2 8 12 18 22 24 32 36 40計算值Pa 11.1 16.3 22.3 29.3 35.6 40.7 46.1 51.9 58.6球體Pa 31 45 63 82 98 114 125 141 153 計算值Pa 42.7 55.4 68.9 83.3 95.3 104.7 114.4 124.4 134.7 第115頁/共127頁 阻力損失實驗測量結(jié)果流量Nm3/h 45 60 80 90 100 110 120 125方孔蜂窩Pa 176 221 303 359 398 480 537 5

37、83計算值Pa 147 213 315 372 433 497 566 602 六邊蜂窩Pa 137 166 221 260 289 332 381 412計算值Pa 67 107 175 216 260 308 360 388 第116頁/共127頁 各測點溫度值(工作周期52s) 蓄熱體 熱空氣 冷空氣 熱空氣 熱空氣 冷空氣 冷空氣 流量 流量 入口溫度 出口溫度 入口溫度 出口溫度 方孔蜂窩 25 261 86 24 171 30 248 68 24 162 35 262 69 23 158 六邊蜂窩 35 25 256 101 27 144 30 257 91 26 142 35 2

38、60 93 26 134 球體 25 262 93 24 141 30 255 86 25 137 35 260 78 25 136 第117頁/共127頁 各測點的溫度值(工作周期70s) 蓄熱體 空氣流量 熱空氣入口溫度 熱空氣出口溫度 冷空氣進口溫度 冷空氣出口溫度 35 282 79.7 34 195.3 六 47 302 81.8 32 194.8 邊 60 299 109.5 33 189.0 蜂 77 320 110.6 31 181.7 窩 80 311 114.6 31 189.3 100 313 113.8 31 183.0 35 272 80.3 31 232.0 方 47 305 89.1 30 246.3 孔 60 302 101.0 34 243.3 蜂 77 301 102.6 35 225.6 窩 80 310 105.3 35 236.7 100 306