管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)

1、1-1摘要1換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的概述1-12強(qiáng)化傳熱的原理2-22.1增加冷熱液體的平均溫差at 2-22.2擴(kuò)大換熱面積f2-32.3提高傳熱系數(shù)k2-33換熱管的強(qiáng)化傳熱措施3-43波紋管傳熱技術(shù) 3-43.2螺紋管傳熱技術(shù)3-43.3螺旋槽紋管傳熱技術(shù)3-53.4橫槽紋管傳熱技術(shù)3-53.5翅片管傳熱技術(shù)3-54結(jié)束語4-6參考文獻(xiàn)4-6摘要木文主要介紹了管殼式換熱器換熱管強(qiáng)化傳熱技術(shù)，分析了各自的原理、優(yōu) 缺點(diǎn)及推薦的使用場(chǎng)合。采用節(jié)能技術(shù)的換熱器不僅提高了能源的利用率，而且 減少了金屬材料的消耗，對(duì)化工行業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。1換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的概述近20年來，石油、化工等過

2、程工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。各工業(yè)部門都在大力 發(fā)展大容量、高節(jié)能設(shè)備，因此要求提供尺寸小、重量輕、換熱能力大的換熱設(shè) 備。特別是始于20世紀(jì)60年代的世界能源危機(jī)，加速了當(dāng)代先進(jìn)換熱技術(shù)和 節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。強(qiáng)化傳熱已發(fā)展成為第二代傳熱技術(shù)，并已成為現(xiàn)代熱科學(xué)中 一個(gè)十分引人注目的、蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域。換熱器作為一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量 傳遞的節(jié)能設(shè)備，在化工、石油、石油化工、冶金、輕工、食品等行業(yè)中就得到 了普遍應(yīng)用。換熱設(shè)備傳熱過程的強(qiáng)化主要是使換熱設(shè)備能在單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上傳 遞的熱量達(dá)到最大化從而實(shí)現(xiàn)下述0的：1) 減小設(shè)計(jì)傳熱面積，以減小換熱器的體積和質(zhì)量2) 提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力3)

3、 使換熱器能在較低溫差下工作4) 減小換熱器的阻力，以減少換熱器的動(dòng)力消耗2強(qiáng)化傳熱的原理從傳熱學(xué)中我們知道換熱器中的傳熱量可用下式計(jì)算，即q=kfat(1)式中：k傳熱系數(shù)w/(m2-k)f 傳熱面積m?t冷熱液體的平均溫差k從上式可以看出，欲增加傳熱量q,可用增加k、f或at來實(shí)現(xiàn)。下面我 們對(duì)此分別加以討論。2.1增加冷熱液體的平均溫差at在換熱器中冷熱液體的流動(dòng)方式有四種，即順流、逆流、交叉流、混合流。 在冷熱流體進(jìn)岀口溫度相同時(shí)，逆流的平均溫差at最大，順流時(shí)at最小，因 此為增加傳熱量應(yīng)盡可能采用逆流或接近于逆流的布置。當(dāng)然可以用增加冷熱流體進(jìn)岀口溫度的差別來增加比如某一設(shè)備采用

4、水冷卻時(shí)傳熱量達(dá)不到要求，則可采用氟里昂來進(jìn)行冷卻，這時(shí)平均溫差at就 會(huì)顯著增加。但是在一般的工業(yè)設(shè)備中，冷熱流體的種類和溫度的選擇常常受到 生產(chǎn)工藝過程的限制，不能隨意變動(dòng)；而且這里還存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)性的問題，如許 多工業(yè)部門經(jīng)常采用飽和水蒸氣作加熱工質(zhì)，當(dāng)壓力為15.86xlo5pa時(shí)，相應(yīng)的 飽和溫度為437k,若為了增加at,采用更高溫度的飽和水蒸氣，則其飽和壓力 亦相應(yīng)提高，此時(shí)飽和溫度每增高2.5k,相應(yīng)壓力就要上升lopao壓力增加后 換熱器設(shè)備的壁厚必須增加，從而使設(shè)備龐大，笨重，金屬消耗量大大增加，雖 然可采用礦物油，聯(lián)苯等作為加熱工質(zhì)，但選擇的余地并不大。綜上所述，用增加平均

5、溫差at的辦法來增加傳熱只能適用于個(gè)別情況。2.2擴(kuò)大換熱面積f擴(kuò)大換熱面積是常用的一種增強(qiáng)換熱量的有效方法，如采用小管徑。管徑越 小，耐壓越高，而且在金屈重量相同的情況下，表面積也越大。采用各種形狀的 肋片管來增加傳熱面積其效果就更佳了。這里應(yīng)特別注意的是肋片(擴(kuò)展表面)要 加在換熱系數(shù)小的一側(cè)，否則會(huì)達(dá)不到增強(qiáng)傳熱的效果。一些新型的緊湊式換熱器，如板式和板翅式換熱器，同管殼式換熱器相比， 在單位體積內(nèi)可布置的換熱面積多得多。如管殼式換熱器在1ms體積內(nèi)僅能布 置換熱面積1502左右。而在板式換熱器中則可達(dá)1500 m2,板翅式換熱器中更 可達(dá)5000 m2,因此在后兩種換熱器中其傳熱量要大

6、得多。這就是它們?cè)谥评洹?石油、化工、航天等部門得以廣泛應(yīng)用的原因。當(dāng)然緊湊式的板式結(jié)構(gòu)對(duì)高溫、 高壓工況就不宜應(yīng)用。對(duì)于高溫、高壓工況一般都采用簡(jiǎn)單的擴(kuò)展表面，如普通肋片管、銷釘管、 鰭片管，雖然它們擴(kuò)展的程度不如板式結(jié)構(gòu)高，但效果仍然是顯著的。采用擴(kuò)展表面后，如果幾何參數(shù)選擇合適還可同時(shí)提高換熱器的傳熱系數(shù)， 這樣增強(qiáng)傳熱的效果就更好了。值得注意的是，采用擴(kuò)展面常會(huì)使流動(dòng)阻力增加, 金屬消耗增加，因此在應(yīng)用時(shí)應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。2.3提高傳熱系數(shù)k提高傳熱系數(shù)k是強(qiáng)化傳熱的最重要的的途徑，且在換熱面積和平均溫差給 定時(shí)，是增加換熱量的唯一途徑。當(dāng)管壁較薄吋從傳熱學(xué)中我們知道，傳熱系數(shù) k可

7、用下式計(jì)算：_+ +_a式屮，如一熱液體和管壁z間的對(duì)流換熱系數(shù)，血一冷流體和管壁z間的對(duì)流換 熱系數(shù)，6管壁的厚度，九一管壁的導(dǎo)熱系數(shù)。一般講金屬壁很薄，導(dǎo)熱系數(shù)很大，6/入可以忽略。因此傳熱系數(shù)k可以近 似寫成：k=aia2/(ai+a2)o由此可知欲增加k,就必須增加g和畑但當(dāng)g和cl2 相差較大時(shí)，增加它們之中較小的一個(gè)最有效。要想增加對(duì)流換熱系數(shù)，就需根據(jù)對(duì)流換熱的特點(diǎn)，采用不同的強(qiáng)化方法。 我國(guó)學(xué)者過增元院士在研究對(duì)流換熱強(qiáng)化吋，提出了著名的場(chǎng)協(xié)同理論。該理論 指出要獲得高的對(duì)流換熱系數(shù)的主要途徑有：1）提高流體速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的均勻 性；2）改變速度矢量和熱流矢量的夾角，使兩矢量的

8、方向盡量一致。換熱管的強(qiáng)化可以對(duì)管壁進(jìn)行各種細(xì)微的加工，使管壁上形成有規(guī)律或無規(guī) 律分布的凸起物，或?qū)⒐鼙谀旧硌剌S向制成波紋狀或螺旋凹肋，從而增大通道 近壁處邊界層內(nèi)流體的脈動(dòng)和紊流熱擴(kuò)散率、增強(qiáng)流體的混合、減薄邊界層尤其 是粘性底層的厚度。3換熱管的強(qiáng)化傳熱措施目前，管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱主要采用管程強(qiáng)化傳熱和管殼式傳化強(qiáng)熱技 術(shù)兩種手段，本文主要討論管殼強(qiáng)化傳熱技術(shù)。然而，換熱管的強(qiáng)化傳熱是管殼 式傳熱強(qiáng)化技術(shù)屮重要的一種技術(shù)手段，它是對(duì)光管進(jìn)行加工得到各種結(jié)構(gòu)的異 形管，措施主要有改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳熱流路徑內(nèi)設(shè)置各種形狀 的插入物。改變傳熱面的形狀有多種，其中用于強(qiáng)化管程傳

9、熱的有：波紋管、螺 紋管、螺旋槽管、橫槽紋管、翅片管、針翅管、多孔表管等。另外，也可采用 擾流元件，在管內(nèi)裝入麻花鐵，螺旋圈或金屬絲片等填加物，亦可增強(qiáng)湍動(dòng)，且 有破壞層流底層的作用。3.1波紋管傳熱技術(shù)波紋管是以普通光滑換熱管為基管，采用無切削滾扎工藝使管內(nèi)外表面金屬 塑性變形而成，雙側(cè)帶有波紋的管型。波紋管管內(nèi)被擠出凸肋，從而改變了管內(nèi)壁滯流層的流動(dòng)狀態(tài)使流體在波峰 處流速低，靜壓增大，波谷處則反之，以致流體產(chǎn)生了劇烈的漩渦，減薄了邊界 層，使得流體的流動(dòng)特性不如光管的好，從而增強(qiáng)了傳熱效果。波紋管適用于要 有對(duì)流、冷凝強(qiáng)化效果的工況。它可以使總傳熱系數(shù)提高23倍。其屮波形分 類有：波谷形

10、（如圖2所示）、波節(jié)形、梯形、縮放形等。3.2螺紋管傳熱技術(shù)螺紋管（圖3）是使光管由以擴(kuò)展表面強(qiáng)化傳熱的螺紋管所代替。螺紋管又稱 低肋管，主耍是靠關(guān)外肋化擴(kuò)大傳熱，它比光管外表面積增加2. 5倍以上。一般 用于管內(nèi)傳熱系數(shù)比管外傳熱系數(shù)大1倍以上的場(chǎng)合，以及無相變傳熱，重油系 統(tǒng)傳熱。它能使總傳熱系數(shù)提高24倍。3.3螺旋槽紋管傳熱技術(shù)螺旋槽紋管管壁是由光管擠壓而成。管外表面壓出螺旋形的凹槽，管內(nèi)則形 成螺旋形的凸起，使流體產(chǎn)生周期性的擾動(dòng)，可以加快由壁面至流體主體的熱 量傳遞。其管內(nèi)傳熱強(qiáng)化主要：一是螺旋槽近壁處流動(dòng)的限制作用，使管內(nèi)流體 做整體螺旋運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生局部二次流動(dòng)；二是螺旋槽所導(dǎo)致的

11、形體阻力，產(chǎn)生逆向 壓力梯度使邊界層分離。螺旋槽紋管具有雙面強(qiáng)化傳熱的作用，適用于對(duì)流、沸 騰和冷凝等工況，抗污垢性能高于光管，傳熱性能較光管提高24倍。其橫截 面圖見圖4。3.4橫槽紋管傳熱技術(shù)橫槽紋管（見圖5）與單頭螺旋橫紋管相比，在相同流速下，流體阻力要大些, 傳熱性能好些。橫紋管的強(qiáng)化機(jī)理為：當(dāng)管內(nèi)流體流經(jīng)橫向環(huán)肋時(shí)，管壁附近形 成軸向游渦，增加了邊界層的擾動(dòng)，使邊界層分離，有利于熱量的傳遞。當(dāng)游渦 將要消失時(shí)流體又經(jīng)過下一個(gè)橫向環(huán)肋，因此不斷產(chǎn)生渦流，保持了穩(wěn)定的強(qiáng)化 作用。橫槽紋管同樣適用于對(duì)流、沸騰和冷凝等工況，抗污垢性能高于光管，傳 熱性能較光管提高85%o3.5翅片管傳熱技術(shù)

12、翅片管是普通換熱管經(jīng)軋制在其外表面形成翅片的一種高效換熱管型，如 圖6所示，其強(qiáng)化作用是在管外。翅片置于給熱系數(shù)小的一側(cè)，可在管外、管內(nèi)。 裝在管外的翅片有軸向的，螺旋形的，也可在翅片上開孔或每隔一段距離斷開或 扭曲，增強(qiáng)流體的湍動(dòng)。翅片管適用于低表面張力介質(zhì)及空氣冷凝高黏度流體，管外冷凝，造價(jià)昂貴 的工況。其總傳熱系數(shù)提高25%,冷凝膜系數(shù)提高518倍。綜上所述，不同強(qiáng)化傳熱技術(shù)在工作原理、使用工況以及各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都 有所不同，在實(shí)際工程生產(chǎn)當(dāng)中，我們應(yīng)該根據(jù)不同的生產(chǎn)條件和經(jīng)濟(jì)效益選擇 不同的強(qiáng)化傳熱技術(shù)。下面將以上技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，見下表。表一：不同強(qiáng)化傳熱技術(shù)之間的比較種類適用工況強(qiáng)化效

13、果（與光管相 比）結(jié) 構(gòu)特點(diǎn)螺旋槽紋管對(duì)流沸騰冷 凝傳熱性能提高2 4 倍管壁被擠壓成螺旋槽狀，有單頭和多 頭兩種形式橫紋管對(duì)流冷凝總傳熱系數(shù)提高8,%在管壁上滾軋出與管于軸線成90。的 橫紋，在管壁內(nèi)形成一圈圈突出的圓 環(huán)縮放管re較高的對(duì)流傳熱量增加70%由依次交替的收縮段和擴(kuò)張段組成 的波形管道內(nèi)波紋外螺紋對(duì)流冷凝總傳熱系數(shù)提高119 倍結(jié)構(gòu)與螺旋槽管相似，具有雙面強(qiáng)化 作用波紋管對(duì)流冷凝總傳熱系數(shù)提高2 3倍將光滑管加工成波紋形旋流管對(duì)流管內(nèi)傳熱膜系數(shù)提高315倍管的內(nèi)外壁面上有非圓弧形斷面螺 旋槽紋，同時(shí)強(qiáng)化管內(nèi)外側(cè)4結(jié)束語強(qiáng)化傳熱對(duì)越來越多的行業(yè)節(jié)能有著重要的意義。強(qiáng)化換熱管提高了換熱器 的傳熱性能，并減小了換熱器所需的傳熱溫差和壓降損失，巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目 前強(qiáng)化換熱管已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)中。強(qiáng)化傳熱要全面考慮，不能顧此失彼，在 采取具體的強(qiáng)化措施時(shí)，應(yīng)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、制造費(fèi)用、動(dòng)力消耗、檢修操作等方面 權(quán)衡考慮，以求得經(jīng)濟(jì)合理的方案。參考文獻(xiàn)5）崔海亭彭培英主編強(qiáng)化傳熱新技術(shù)及其應(yīng)用化學(xué)工業(yè)出版社6）鄭津洋董其武桑芝富主編過程設(shè)備設(shè)計(jì)化學(xué)工業(yè)出版社