強(qiáng)化傳熱技術(shù)及高效節(jié)能設(shè)備(華誼交流)

1、1強(qiáng)化傳熱技術(shù)及其高效節(jié)能設(shè)備華東理工大學(xué)化工機(jī)械研究所HEAT TRANSFER ENHANCEMENT TECHNOLOGIES AND HIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGERS2一、換熱設(shè)備的強(qiáng)化傳熱技術(shù)HEAT TRANSFER ENHANCEMENT TECHNOLOGIES AND HIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGERS31 換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù) 近20年來(lái)，石油、化工等過(guò)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、高性能設(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)

2、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。 主要介紹工業(yè)化應(yīng)用的、相對(duì)比較成熟的管殼式換熱器無(wú)功強(qiáng)化傳熱技術(shù)。41 換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù) 換熱器的強(qiáng)化傳熱就是力求使換熱器在單位時(shí)間內(nèi)，單位傳熱面積傳遞的熱量達(dá)到最多。 應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)的目的是：提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；減小設(shè)計(jì)傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；使換熱器能在較低溫差下工作。傳熱方程式為： 式中 K傳熱系數(shù)；A換熱面積；T平均傳熱溫差。強(qiáng)化傳熱主要有3種途徑：提高傳熱系數(shù)、擴(kuò)大傳熱面積和增大傳熱溫差。TKAQ52 傳熱過(guò)程強(qiáng)化的途徑（1）對(duì)流強(qiáng)化

3、傳熱 無(wú)相變過(guò)程強(qiáng)化對(duì)流傳熱技術(shù)的研究，可分為管內(nèi)強(qiáng)化和管外強(qiáng)化兩種形式。強(qiáng)化措施大致有：管外采用新型擴(kuò)展表面；管內(nèi)采用插入物提高攪動(dòng)程度；管內(nèi)外采用異形管，改變管內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)提高傳熱；改變管束支撐件形式，提高流速和攪動(dòng)程度； 加入不互溶低沸點(diǎn)添加劑，靠汽化潛熱提高傳熱果。62 傳熱過(guò)程強(qiáng)化的途徑（2）冷凝強(qiáng)化傳熱 冷凝傳熱基本有兩種類型，其一為膜狀冷凝，其二為滴狀冷凝。 膜狀冷凝：冷凝液在壁面上形成一層連續(xù)不斷的液膜。在重力的作用下，液膜不斷地沿壁面流動(dòng)，通過(guò)液膜傳遞給壁面，傳熱熱阻主要集中在冷凝液膜上。 強(qiáng)化冷凝傳熱：減薄或消除冷凝液膜；疏導(dǎo)冷凝液膜迅速流開(kāi)壁面；減小冷凝傳熱熱阻等等。7

4、（2）冷凝強(qiáng)化傳熱滴狀冷凝:冷凝液不能潤(rùn)濕壁面，只能在壁面上形成液珠。液珠長(zhǎng)大后，受重力的作用不斷地?cái)y帶著沿途的其他液珠沿壁面流下。與此同時(shí)，新的液珠又會(huì)在原來(lái)的途徑上重新復(fù)生。 實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝的途徑有：在金屬表面涂上憎水基有機(jī)化合物涂層；金屬硫化物涂層；貴金屬涂層；高分子聚合物涂層；往蒸汽中注入不潤(rùn)濕性介質(zhì)等。2 傳熱過(guò)程強(qiáng)化的途徑傳熱系數(shù):滴狀冷凝膜狀冷凝8（3）沸騰強(qiáng)化傳熱核沸騰傳熱的強(qiáng)化有三種基本方法：降低表面的潤(rùn)濕性；應(yīng)用帶有凹陷形的核化空穴的傳熱表面；形成小通道內(nèi)的液膜蒸發(fā)。 沸騰強(qiáng)化傳熱措施：表面多孔管，燒結(jié)型、電鍍型、化學(xué)腐蝕和機(jī)械加工型；T形翅片管或Y形管，機(jī)加工管型； 整體內(nèi)

5、螺旋翅片管，強(qiáng)化管內(nèi)沸騰傳熱的機(jī)加工管型； 橢圓管用于強(qiáng)化降膜蒸發(fā)器的傳熱；管內(nèi)加金屬絲網(wǎng)強(qiáng)化管內(nèi)沸騰傳熱。2 傳熱過(guò)程強(qiáng)化的途徑93 管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù) 管殼式換熱器的傳熱強(qiáng)化研究包括管程和殼程兩側(cè)的傳熱強(qiáng)化研究。通過(guò)強(qiáng)化傳熱管元件與優(yōu)化殼程結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。3.1 強(qiáng)化傳熱管元件 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)化管程傳熱的有：螺旋槽紋管、橫紋管、螺紋管、縮放管、旋流管和螺旋扁管等。 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。103.1 強(qiáng)化傳熱管元件1）螺旋槽

6、管 螺旋槽紋管管壁是由光管擠壓而成。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(lái)產(chǎn)生局部二次流動(dòng)；二是螺旋槽所導(dǎo)致的形體阻力，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。shtRdo螺旋槽管結(jié)構(gòu)圖113.1 強(qiáng)化傳熱管元件2）橫紋槽管 橫紋槽管結(jié)構(gòu)圖 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(guò)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。123.1 強(qiáng)化

7、傳熱管元件3）縮放管 縮放管結(jié)構(gòu)圖 換熱管表面的竹節(jié)狀結(jié)構(gòu)，使管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生收縮和放大效應(yīng)，使介質(zhì)湍動(dòng)程度增加，提高了管內(nèi)介質(zhì)的熱交換能力，而且管內(nèi)靠近管壁的介質(zhì)沿管的軸向流動(dòng)時(shí)，其方向和速度在波節(jié)處產(chǎn)生突變，形成局部湍流，使管壁處流體的滯留底層減薄，熱阻降低，也使管外介質(zhì)的傳熱能力提高。133.1 強(qiáng)化傳熱管元件4）低螺紋翅片管 低螺紋翅片管結(jié)構(gòu)圖 普通換熱管經(jīng)軋制在其外表面形成螺紋翅片的一種高效換熱管型。其強(qiáng)化作用是在管外。對(duì)介質(zhì)的強(qiáng)化作用一方面體現(xiàn)在螺紋翅片增加了換熱面積；另一方面是由于殼程介質(zhì)流經(jīng)螺紋管表面時(shí)，表面螺紋翅片對(duì)層流邊層產(chǎn)生分割作用，減薄了邊界層的厚度。 當(dāng)用于蒸發(fā)時(shí)

8、，可以增加單位表面上氣泡形成的數(shù)量，提高沸騰傳熱能力； 當(dāng)用于冷凝時(shí)，螺紋翅片十分有利于管下端冷凝液的滴落，使液膜減薄，熱阻減少，提高冷凝傳熱效率。143.1 強(qiáng)化傳熱管元件5）螺旋扁管 螺旋扁管結(jié)構(gòu)圖 螺旋扁管(Twisted tube)換熱器是由美國(guó)Brown公司推出的。螺旋扁管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是管子的任一截面均為一長(zhǎng)圓。螺旋扁管的強(qiáng)化機(jī)理：由于管子的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使管程與殼程同時(shí)處于螺旋流動(dòng)，促進(jìn)了湍流程度。此換熱器比常規(guī)換熱器總傳熱系數(shù)高40，而壓力降則幾乎相等。此換熱器可用于氣氣、液液以及氣液換熱過(guò)程。153.1 強(qiáng)化傳熱管元件6）菱形翅片管 菱形翅片管結(jié)構(gòu)圖 菱形翅片管為帶有周向非連續(xù)三維翅

9、片的高效傳熱管，其傳熱強(qiáng)化性能優(yōu)于帶周向連續(xù)翅片的螺紋翅片管。當(dāng)用于冷凝強(qiáng)化傳熱時(shí)，由于其三維翅片的特殊結(jié)構(gòu)造成翅片表面液膜的表面張力分布不均(根部大，頂部小)，液膜被拉向根部，使三維翅片表面的液膜厚度大幅度的減薄，熱阻減小，使汽態(tài)介質(zhì)和管外壁的換熱能力增強(qiáng)，從而提高換熱效果。163.1 強(qiáng)化傳熱管元件7）波紋管波紋管是以普通光滑換熱管為基管，采用無(wú)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)，減少了流體傳熱熱阻，增強(qiáng)了傳熱效果。螺旋波紋管橫向波紋管177）波紋管性能567892310000Re04008001200160

10、0K (W/m2.K)corrugated tube (exp.)plain tube (cal.)567892310000Re020406080pressure drop (kPa)corrugated tube (exp.)plain tube (cal.)傳熱性能對(duì)比壓力降對(duì)比183.1 強(qiáng)化傳熱管元件8）表面多孔管（燒結(jié)、熱噴涂、電鍍等）表面多孔管結(jié)構(gòu)圖 采用含有造孔劑的金屬粉末，在普通光管的表面制備一層多孔涂層。該涂層在沸騰傳熱時(shí)，涂層中的大量微孔變成為汽泡形成的核心，由于微孔內(nèi)的汽泡處于四周受熱狀態(tài)，氣泡核迅速膨大充滿內(nèi)腔，持續(xù)受熱使氣泡內(nèi)壓力快速增大，促使氣泡從管表面細(xì)縫中急速噴

11、出。氣泡噴出時(shí)帶有較大的沖刷力量，并產(chǎn)生一定的局部負(fù)壓，使周圍較低溫度液體涌入微孔內(nèi)，形成持續(xù)不斷的沸騰。10019表面多孔管性能曲線對(duì)比強(qiáng)化傳熱機(jī)制203.1 強(qiáng)化傳熱管元件9） T形翅片管 T型翅片管是由光管經(jīng)過(guò)滾軋加工成型的一種高效換熱管。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在管外表面形成一系列螺旋環(huán)狀T型隧道。管外介質(zhì)受熱時(shí)在隧道中形成一系列的氣泡核，由于在隧道腔內(nèi)處于四周受熱狀態(tài)，氣泡核迅速膨大充滿內(nèi)腔，持續(xù)受熱使氣泡內(nèi)壓力快速增大，促使氣泡從管表面細(xì)縫中急速噴出。氣泡噴出時(shí)帶有較大的沖刷力量，并產(chǎn)生一定的局部負(fù)壓，使周圍較低溫度液體涌入T型隧道，形成持續(xù)不斷的沸騰。21T形翅片管結(jié)構(gòu)圖汽泡換熱管T形槽9、

12、 T形翅片管 223.1 強(qiáng)化傳熱管元件10） 其他形式換熱管 縱向翅片管橫向翅片管管內(nèi)靜態(tài)混合器233.2 殼程強(qiáng)化傳熱殼程強(qiáng)化傳熱的途徑主要有兩種： 一是改變殼程擋板或管支撐物的形式，以減少或消除殼程流動(dòng)與傳熱的滯留死區(qū)，使傳熱面積得到充分利用。如折流桿換熱器、空心環(huán)換熱器、螺旋折流板換熱器等等。 二是改變管子外形或在管外加翅片，即通過(guò)管子形狀或表面性質(zhì)的改造來(lái)強(qiáng)化傳熱，以提高換熱器效率。如槽紋管、翅片管、表面多孔管、釘頭管等等。 對(duì)于第二種情況前面有介紹，在這里主要向大家介紹第一種方法。24 （1 ） 不同形式的折流板換熱器梅花孔板網(wǎng)狀孔板3.2 殼程強(qiáng)化傳熱253.2 殼程強(qiáng)化傳熱 2

13、0世紀(jì)70年代初，美國(guó)菲利浦公司為了解決天然氣流動(dòng)振動(dòng)問(wèn)題，而將管殼式換熱器中的折流板改成桿式支撐結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出了折流桿換熱器。研究表明，這種換熱器不但能防振，而且還提高了傳熱系數(shù)。此種換熱器廣泛應(yīng)用于單相沸騰和冷凝的各種工況。其總傳熱系數(shù)比普通折流板換熱器提高4060%，且抗振性能好。 把折流桿支撐結(jié)構(gòu)與螺旋槽管、橫紋槽管、底翅片管、T形翅片管等強(qiáng)化傳熱管組合，形成復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)。 折流桿換熱器是目前應(yīng)用最廣的新型管殼式換熱器。（2）折流桿式換熱器26（2） 折流桿式換熱器 折流桿式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)27（2 ） 折流桿式換熱器. .圖 二 弓 形 折 流 板 示 意 圖死 區(qū)傳統(tǒng)折流板式換熱器

14、的流體流動(dòng)形式 折流桿式換熱器流動(dòng)形式28折流圈X折流桿換熱管導(dǎo)液缺口殼體折流圈Y （2） 折流桿式換熱器折流桿式換熱器（與波紋管組合強(qiáng)化）設(shè)計(jì)與制造29新型高效節(jié)能換熱器研究開(kāi)發(fā)傳熱性能流體力學(xué)性能“新型高效節(jié)能換熱器系列”，被列入國(guó)家重點(diǎn)推廣計(jì)劃，、“新型縱流殼程換熱設(shè)備現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的研究與應(yīng)用”（獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)）等項(xiàng)目成果，已在河南、江蘇、山東等二十余省市近二百家化肥、石化、煉油、熱電廠應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。303.2 殼程強(qiáng)化傳熱（3） 空心環(huán)式換熱器 空心環(huán)管殼式換熱器是我國(guó)于20世紀(jì)90年代發(fā)明的一種新型管殼式換熱器。空心環(huán)是由直徑較小的鋼管截成短節(jié)，均勻地分布于

15、換熱管管間的同一截面上，呈線性接觸，在緊固裝置螺栓力的作用下，使管束相對(duì)緊密固定?？招沫h(huán)作為支撐形式，已成功地應(yīng)用于小型氮肥廠。據(jù)報(bào)道，在相同條件下，其傳熱面積雖比單弓形支承可減少35，傳熱速率則可增加38，泵功率可減少75。31（3） 空心環(huán)式換熱器管 程 介 質(zhì)殼 程 介 質(zhì)空 心 環(huán) 管縮 放 管空心環(huán)式換熱器323.2 殼程強(qiáng)化傳熱（4） 螺旋折流板換熱器 螺旋折流板換熱器是最新發(fā)展起來(lái)的一種管殼式換熱器，是由美國(guó)ABB公司提出的。與常規(guī)折流板相互平行布置方式不同，它的折流板相互形成一種特殊的螺旋形結(jié)構(gòu)，每個(gè)折流板與殼程流體的流動(dòng)方向成一定的角度，使殼程流體做螺旋運(yùn)動(dòng)，能減少管板與殼體

16、之間易結(jié)垢的死角，從而提高了換熱效率。在氣水換熱的情況下，傳遞相同熱量時(shí)，該換熱器可減少3040的傳熱面積，節(jié)省材料2030。此換熱器尤適宜于處理含固體顆粒、粉塵和泥沙等流體。33（4） 螺旋折流板換熱器 將1/4圓周的扇形折流板片，按規(guī)定的螺旋升角沿周向轉(zhuǎn)角排列，最終在軸向形成一個(gè)螺旋框架。減少流動(dòng)阻力、提高流速、減少死區(qū)、強(qiáng)化傳熱。34扭曲管結(jié)構(gòu)圖（5）扭曲管換熱器35 管程、殼程同時(shí)強(qiáng)化傳熱，抗振性能好。更適合流速底、粘度大的流體。（5）扭曲管換熱器36二、緊湊式換熱器與余熱回收器HEAT TRANSFER ENHANCEMENT TECHNOLOGIES AND HIGH-EFFICI

17、ENCY HEAT EXCHANGERS371 緊湊式換熱器以板面式換熱器為主螺旋板式換熱器板式換熱器板翅式換熱器板殼式換熱器381 緊湊式換熱器 1 ） 螺旋板式換熱器 螺旋板式換熱器由兩張平行的薄鋼板卷制而成，構(gòu)成一對(duì)互相隔開(kāi)的螺旋形流道。 冷熱兩流體以螺旋板為傳熱面相間流動(dòng)，兩板之間焊有定距柱以維持流道間距，同時(shí)也可增加螺旋板的剛度。在換熱器中心設(shè)有中心隔板，使兩個(gè)螺旋通道隔開(kāi)。 391 緊湊式換熱器 1） 螺旋板式換熱器401 緊湊式換熱器 2） 板式換熱器 板式換熱器是由一組金屬薄板、相鄰薄板之間襯以墊片并用框架夾緊組裝而成。 矩形板片上四角開(kāi)有圓孔，形成流體通道。冷熱流體交替地在板

18、片兩側(cè)流過(guò)，通過(guò)板片進(jìn)行換熱。 板片通常壓制成各種波紋形狀，既增加剛度，又使流體分布均勻，加強(qiáng)湍動(dòng)，提高傳熱系數(shù)。 板片數(shù)目可以根據(jù)工藝條件的變化，增加或減少。411 緊湊式換熱器 2） 板式換熱器421 緊湊式換熱器 3 ） 板翅式換熱器 板翅式換熱器的基本結(jié)構(gòu)，是由平隔板和各種型式的翅片構(gòu)成板束組裝而成。 在兩塊平行薄金屬板（平隔板）間，夾入波紋狀或其他形狀的翅片，兩邊以側(cè)條密封，即組成為一個(gè)單元體。 各個(gè)單元體又以不同的疊積適當(dāng)排列，并用釬焊固定，成為常用的逆流或錯(cuò)流式板翅式換熱器組裝件，或稱為板束。再將帶有集流進(jìn)出口的集流箱焊接到板束上，就為板翅式換熱器。431 緊湊式換熱器 3） 板翅式換熱器逆流錯(cuò)流光直翅片多孔翅片鋸齒翅片441 緊湊式換熱器 4） 板殼式換熱器 板殼式換熱器與列管式換熱器的重要區(qū)別是以板束代替管束。板束的基本元件是將條狀鋼板滾壓成一定形狀然后焊接而成。板束元件可以緊密排列、結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積提供的換熱面為列管式的3.5倍以上。 板殼式換熱器不僅有各種板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱系數(shù)高的特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，能承受很高的壓力和溫度，較好地解決了高效緊湊與耐溫抗壓