換熱器強化傳熱技術的研究進展_李安軍

1、收稿日期:2007-08-09李安軍(1979 ,研究生;114051 遼寧省鞍山市。換熱器強化傳熱技術的研究進展李安軍 邢桂菊 周麗雯(遼寧科技大學材料科學與工程學院摘 要 介紹了被動式強化傳熱技術的研究進展,簡述了典型和新型傳熱元件的開發(fā)和應用,針對換熱器傳熱管表面處理技術,管的內(nèi)插件和管束支撐結構的發(fā)展狀況展開分析和論述;探討了強化傳熱技術的發(fā)展方向,數(shù)值模擬和場協(xié)同原理技術的應用使換熱器結構趨于最優(yōu)化,強化傳熱技術由單一型向復合型方向發(fā)展,逐漸形成第三代傳熱技術。關鍵詞 強化傳熱 傳熱元件 管束支撐 換熱器 節(jié)能技術Progress i n study on technology of

2、 heat transfer enhancem entf or heat exchangerLiAn j u n X i n g Gu ij u Z hou Li w en (Un i v ersity of Sc ience and T echnology LiaoningAbstr a ct P rogress i n st udy on technology of heat transfer enhancement was i ntroduced ,deve l op m ent and app licati on of typical and ne w type hea t trans

3、fer co mpo nents we re descri bed briefl y ,and t he devel 2op m ent status of the technol ogy of heat exchange tube s surface treat m ent ,tube pl ugged-i n o b j ec ts and tube bundle support we re ana l yzed and st udied .The deve l op m ent d irec tion of hea t transfer enhance 2m en twas d i sc

4、ussed .The appli catio n of nu m erical s i m u l atio n and fie l d syne rgy princ i p l es m ade the structures of heat exchanger opti m ized ,the technol ogy of heat transfer enhance m ent developed fro m si ngl e to co m pound and graduall y for m ed t he t h ird-generati on of heat transfer tec

5、hnology .K eyword s heat transfer enhance m ent heat transf e r co mpo nentstube bundle support heat ex 2changer energy co nservatio n technol ogy隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,以能源為中心的環(huán)境、生態(tài)等問題日益加劇,節(jié)能是非常重要的,也是當務之急,世界各國都在尋找新能源和節(jié)能新途徑。換熱器作為換熱設備,廣泛應用于冶金、化工等各個工業(yè)領域中,強化傳熱技術的應用不但節(jié)能環(huán)保,而且節(jié)約了投資和運營成本,所以,換熱器的強化傳熱技術一直以來都是一個重要課題,受到研究

6、人員的重視,各種研究成果不斷涌現(xiàn)。20世紀80年代以來,強化傳熱技術被譽為第二代傳熱技術112,并得到充分的發(fā)展。它是能夠顯著改善傳熱性能的節(jié)能技術,其主要內(nèi)容是強化傳熱元件和改變殼程的支撐結構,用以提高換熱效率,達到生產(chǎn)的最優(yōu)化。強化傳熱技術通常分為主動式和被動式兩大類。主動式強化傳熱需要消耗外部能量,如采用電場、磁場、光照射、攪拌、噴射等手段。被動式強化傳熱則不需要消耗外部能量,是換熱器強化傳熱主要采用的方法,如傳熱管的表面處理、傳熱管的形狀變化、管內(nèi)加入插入物,改變支撐物等122。這里主要介紹被動式傳熱。1傳熱管的表面處理111無相變傳熱無相變傳熱是指在對流換熱中不發(fā)生蒸汽凝結或液體沸騰

7、的換熱過程。工業(yè)生產(chǎn)中,主要應用的異形管有:螺旋槽管、旋流管、波紋管、縮放管、橫紋管、螺旋橢圓扁管、變截面管、內(nèi)肋管等132。這種傳熱管的特點是,結構簡單,加工方便,傳熱面積增加,傳熱效果大大增強,換熱器的結構更加緊湊,減小投資,節(jié)約成本。(1螺旋槽管螺旋槽紋管是表面具有螺旋形凹槽的一種強化傳熱管,傳熱管內(nèi)外表面的凸起或槽紋,干擾了管內(nèi)流體的流動,破壞了層流邊界層,流動狀態(tài)達到充分的湍流,產(chǎn)生的漩渦又不斷地擾動邊界層的流體,促進了傳熱管同流體間的熱交換;湍流度的增加也有助于避免污垢在傳熱管壁面的沉積,提高傳熱系數(shù),增強了管內(nèi)外流體的換熱。螺旋升角對換熱的影響很大,大螺旋升角更有利于換熱142。

8、研究表明,螺旋槽管換熱器比光管的傳熱系數(shù)提高了24倍,在阻力損失和換熱面積相同時,換熱量可增加30%40%132。旋流管是螺旋槽紋管的衍生品,也叫異型螺旋槽管。其槽紋是半流線的勺形或W形,流體在其內(nèi)流動呈波狀特性,它的傳熱機理與螺旋槽管大體相同。這種傳熱管的傳熱面積和傳熱系數(shù)大大增加,傳熱系數(shù)比光管提高315倍,并且,在相同傳熱量下旋流管的換熱系數(shù)比螺旋槽管高3%8%,而壓力損失低5%10%152。(2波紋管波紋管是表面有波紋狀突起的強化傳熱管,由于波紋管的壁很薄,傳熱管可以自由伸縮。流體在管內(nèi)流動時,截面不斷的變化,擾動流體,破壞層流邊界層,以強化傳熱。波紋管的傳熱效率通常是光管的24倍,同

9、時還具有除垢能力強,溫差應力小,結構緊湊輕巧等特點162。波紋管的壁薄,有波紋突起,可以有效地消除縱向應力,但是波紋管的強度問題沒有很好的解決,應用范圍受到限制。(3橫紋管橫紋管由光管的外表面被滾壓成一圈圈有序的環(huán)形凹槽而成,與管子軸線成90b角。影響橫紋槽管綜合傳熱性能的主要結構參數(shù)為肋節(jié)距和肋形,而肋高影響較小,并且傳熱綜合因子隨流動Re數(shù)增大而迅速降低。橫紋抗垢能力要優(yōu)于光管,漸近污垢熱阻值約為光管的0183,污垢狀態(tài)下橫紋管的強化比約為114,說明橫紋管其性能比光管要好172,也比螺紋管好,在同樣傳熱效果下,阻力增加比螺旋槽管少。(4螺旋橢圓扁管螺旋橢圓扁管是把圓形光管壓成橢圓形,然后

10、扭曲而成,流體在管內(nèi)處于螺旋流動狀態(tài),因而破壞了管壁附近的層流邊界層,提高了傳熱效率。這種管束結構的特點是:兩個并行排列的相鄰管子的橢圓長軸相互接觸,互相支撐,應用這種管的換熱器取消了附加的管束支撐物,節(jié)約了材料和成本。研究表明,螺旋橢圓扁管換熱器具有較好的強化傳熱性能,管徑大小和螺旋導程對傳熱和阻力性能均有影響。從綜合性能來看,大管徑優(yōu)于小管徑;對于相同規(guī)格的管子,導程增大,傳熱性能降低,流動阻力減小182。這種結構的換熱器與光管換熱器相比,熱流密度高50%,容積小30%。112有相變傳熱有相變傳熱是指在對流換熱中發(fā)生蒸汽凝結或液體沸騰的換熱過程,有相變傳熱常用的異形管有:鋸齒形翅片管、花瓣

11、形翅片管、T形管和表面多孔管(麻坑管等132。(1冷凝傳熱的鋸齒形翅片管和花瓣形翅片管鋸齒形翅片管是一種新型傳熱管,其翅片外緣有鋸齒缺口,加強了流體的擾動,促進對流換熱,換熱面積增大,增強了換熱量,鋸齒管的傳熱系數(shù)是光管的6倍,是低肋管的1152倍?；ò晷纬崞苁且环N特殊的三維翅片結構強化傳熱管,從截面上看,各翅片像花瓣狀而得此名。花瓣形翅片管既能顯著地強化低表面張力介質(zhì)及其混合物和含不凝性氣體的水蒸氣的冷凝傳熱,又能顯著地強化空氣和高粘性流體的冷卻傳熱,有研究表明:自然對流條件下,其傳熱系數(shù)比鋸齒形翅片管提高了8%10%,在強制對流下,是光管的56倍。(2強化沸騰傳熱的T形管和表面多孔管T形

12、翅片管是由德國的W ie land公司于1978年開發(fā)的,管子的外表面具有多條螺旋的T形翅片,以增加汽化核心,并顯著的增大了傳熱面積,具有優(yōu)良的傳熱性能。表面多孔管同T形管的傳熱原理相同,它是北京化工設計院在1978年通過燒結法試制的,實驗用丙酮作工質(zhì),測定了在以燒結法制成的表面多孔管上沸騰時的給熱系數(shù),約為光滑管的78倍。盡管這種表面結構具有很好的換熱特性,但是,這種管的加工工藝十分復雜,在實際工程應用中并不普遍。113新型傳熱元件(1斜針翅管192斜針翅管是中國石化建筑公司與華南理工大學聯(lián)合研制的一種新型高效換熱器。這種傳熱管的優(yōu)點是擴大了二次傳熱面積,保持較小的管距,利用流體的不斷擾動,

13、破壞流體的層流邊界層,增加了紊流度,使得傳熱效率提高,達到強化傳熱的效果。它主要應用于殼程為油介質(zhì)的換熱器中。流體流經(jīng)換熱管壁面時總存在一層滯留內(nèi)層,該層傳熱僅為熱傳導,導熱熱阻很大,流體的流速和溫度分布都屬于拋物線形,只有使滯留層消除或變薄才能夠減小熱阻,加強傳熱。斜針翅管強化傳熱的機理是在擴大二次傳熱面的同時,利用流體的擾動,提高湍流度,破壞了邊界層,也阻止了污垢的積累,強化了傳熱。研究表明,殼程的流體縱向流動,有效的避免了流體誘導振動的發(fā)生,防止管子的振動破壞,具有折流桿換熱器的特點;這種傳熱元件的換熱面積能夠有效地被利用,不存在換熱死區(qū)162,并且增加了換熱面積,同等條件下,換熱面積可

14、提高10%以上。(2新型釘翅管新型釘翅管110,112的結構是在光管的外表面交錯的排列一個個釘翅。通過理論和實驗研究表明,這種新型釘翅管的傳熱效果明顯增強,傳熱效率大大提高,與光管相比它所消耗的比功并不大,但其傳熱系數(shù)是普通光管100倍左右,是翅片管的10倍左右,是百葉窗翅管的5倍左右,努塞爾數(shù)N u是光管的65105倍?？梢?這種傳熱元件與其它翅片管相比傳熱效果是最好的,其開發(fā)和應用潛力巨大。2傳熱管內(nèi)插件管內(nèi)插入物可以擾動管內(nèi)的流體,增強湍流度,有效地清除污垢,提高傳熱系數(shù);形成旋轉流和二次流;插入件在管內(nèi)擾動流體,破壞了層流邊界層,加快了流體同傳熱管的換熱。常用的內(nèi)插件有:扭帶、間隔扭帶

15、、錯開扭帶、螺旋片、螺旋線、靜態(tài)混合器等112。不同內(nèi)插件增強傳熱的效果也不同,Wang L等1122通過實驗研究比較螺旋線圈和扭帶的綜合強化性能表明,管內(nèi)插物扭帶擾動管內(nèi)整個流場的流動,而螺旋線圈主要干擾管壁附近的流體,所以當螺旋角和直徑比相同時,螺旋線圈的性能要好于扭帶。近幾年,又出現(xiàn)了彈性圓珠內(nèi)插件1132。流體流過彈性珠時易在其后面形成卡門渦街,增加了流體與壁面的剪切力,同時,彈性珠不斷的敲擊管壁,導致剛剛形成長大的污垢層脫落,提高了傳熱效率,污垢熱阻大大降低,有時甚至出現(xiàn)負熱阻,傳熱性能明顯優(yōu)于光管。3管束支撐管束支撐是管殼式換熱器的重要原件,主要起到支撐管束,減小管束振動和引導殼程

16、流體流向的作用,一種好的管束支撐,能夠強化殼程熱交熱,因此開發(fā)新型的管束支撐是非常重要的。工程中應用的管束支撐主要有:弓形折流板、折流柵、螺旋隔板、空心圓環(huán)和螺旋折流片等。311弓形折流板弓形折流板1142包括單弓形折流板和雙弓形折流板。雙弓形折流板由雙弓形隔板和中心隔板組成。兩種隔板沿管束方向交替排列,引導流體波浪式前進。雙弓形隔板換熱器與間距和缺口相同的單弓型隔板換熱器相比,雖然其壓降為后者的013015,傳熱系數(shù)為后者的016018,但總體的傳熱性能是提高的。312折流桿支撐結構折流桿縱流式換熱器是1970年美國菲利浦石油公司首先提出的,是為了解決傳統(tǒng)折流板換熱器中管子與折流板的切割破壞

17、和流體誘導振動,這種結構是將管殼式換熱器中的折流板改成桿式支承。折流桿式換熱器壓降很低,低于弓形隔板的1/4,傳熱特性比也高,傳熱強化達113214倍1142。在相同設計條件下,雙殼程折流桿換熱器的殼程流速提高了1倍,殼程的給熱系數(shù)可提高52%74%112。另外,折流桿與換熱器的接觸面積很小,傳熱面積得到充分利用,消除殼程滯留區(qū),改變了殼程流場的溫度分布。313螺旋隔板支撐Lutcha J和Ne mcansky J1152于1983年提出殼程流體作螺旋運動可以有效地清除污垢死角、強化換熱器殼程傳熱,其殼側支撐結構是用一系列的扇形面,相間連接,從而在殼側形成近似的螺旋面,亦稱螺旋折流板換熱器。這

18、種換熱器折流板形成一種特殊的螺旋形結構,與常規(guī)折流板的布置方式不同,它使得殼程的流體做螺旋運動。通過已知實驗研究可以看出這種換熱器的優(yōu)良性能1162,對于以壓縮空氣為工質(zhì),在相同的Re 下,光滑管螺旋隔板換熱器的管外膜傳熱系數(shù)是光滑管弓形隔板換熱器的1125118倍,壓降隨著螺旋角的不同大約可降低26%60%。314空心圓環(huán)空心圓環(huán)支撐結構是采用小直徑金屬短管以一定間隔布置在換熱管束之間,起到支撐傳熱管和導流作用。這種結構的特點是:殼程間隙率大,流阻小,流速變化小,流體在空心環(huán)處可以充分形成湍流,增強傳熱;節(jié)約鋼材,減輕設備重量,鋼材的消耗量大大減少,所以,與傳統(tǒng)換熱器相比,空心圓環(huán)換熱器在投

19、資費用方面有很大的競爭力,可節(jié)省25%1172。315螺旋折流片螺旋片傳熱管是在光管上均勻布置螺旋片,有左旋片管和右旋片管之分。換熱器的換熱管布置情況是螺旋片管與光管交錯排列,左右兩根管是螺旋片管,螺旋方向分別是左旋和右旋,上下兩根管是光管,放置在螺旋片上,不需要附加管束支撐1182。螺旋片能誘導生成渦旋流體,形成二次流,增強流體的湍流度,強化流體微團混合,使壁面附近的流速梯度增大,從而減薄粘性邊界層底層的厚度,有效地提高傳熱系數(shù)。同時螺旋片形成的通道還增加了流體的流動路徑,提高了流動速度。數(shù)值模擬結果表明,螺旋片管的傳熱系數(shù)隨著螺旋角的增大而平緩增加,流動阻力損失加大,傳熱性能明顯優(yōu)于光管,

20、傳熱系數(shù)可提高40%100%1192。4換熱器強化傳熱技術的發(fā)展方向411管程強化傳熱技術正在蓬勃的發(fā)展,異形強化傳熱管的研究和探索已經(jīng)進入高層次發(fā)展階段。傳統(tǒng)的異形管加工難度大、成本高,加工設備也比較復雜。改進各種高效換熱管的制造技術,或開發(fā)結構簡單的新型高效換熱管,實現(xiàn)高效換熱管結構和制造技術的簡單化,降低成本,提高設備的使用壽命,是推廣和應用各種高效換熱管的前提條件,也是換熱器的重要發(fā)展方向132。對螺旋管等槽紋管的研究也有待進一步深化,這種傳熱管可以適用于除水和空氣以外更多的介質(zhì)中,在其它工質(zhì)中的工況如何還有待研究,另外,強化管的槽深、節(jié)距、螺旋角等特性的最優(yōu)化,會使強化管具有較好的傳

21、熱與流體動力學特性。表面多孔管用于相變換熱能夠有效的提高傳熱系數(shù),增加換熱量但是由于加工工藝的復雜性,至今沒能夠被推廣,隨著加工技術的提高,如果能夠簡化加工過程,減少加工成本,相變傳熱應用這種傳熱管是一種理想的選擇。412殼程縱向流換熱器的優(yōu)良特性,已經(jīng)引起更多的學者和工程技術人員的普遍關注。如果縱向流換熱器與不同型式的強化管組合使用,能夠同時實現(xiàn)殼側與管側的傳熱強化。這種為實現(xiàn)不同強化傳熱技術的優(yōu)化組合仍需要進一步的研究。縱流式管束支撐物對殼程流體流速的調(diào)節(jié)作用較小,只有在大流量下才能顯示出其優(yōu)越性。因而,在小流量或低雷諾數(shù)下如何提高縱流式換熱器的性能,是今后研究的一個重要方向1202。隨著

22、計算流體力學(CFD和數(shù)值傳熱學的發(fā)展,各種數(shù)值模擬技術不斷地被應用到強化傳熱技術中來,對各種支撐結構的性能和殼程流場的特性的研究可以通過計算機模擬來完成,這種方法簡單、快捷,具有廣闊的應用前景,這也促使了更優(yōu)化的傳熱組合的研究。413納米傳熱介質(zhì)以前對傳熱介質(zhì)的研究主要是針對它的流動特性,對增強介質(zhì)換熱系數(shù)的研究很少。增強介質(zhì)的換熱系數(shù)是近些年新開辟的領域,并迅速受到重視,成為熱點課題。研究表明納米流體具有很好的傳熱功能,E ast m an J A等人1212對納米流體導熱系數(shù)的實驗研究顯示,以不到5%的體積比在水中添加氧化銅納米粒子形成的納米流體導熱系數(shù)比水提高60%以上;Lee等人12

23、22用納米流體和微型熱交換器構成了冷卻強度可達30M W/m2的高效冷卻系統(tǒng)。影響納米流體導熱系數(shù)的主要因素有四種1232:(1非限域傳遞的影響;(2布朗運動的影響;(3液膜層的影響;(4顆粒聚集的影響。換熱器中如果利用納米介質(zhì)換熱,傳熱效率將大大提高,與之相匹配的各種換熱器將相繼開發(fā)出來,并可以節(jié)約能源,降低成本。此外,換熱器的場協(xié)同原理也是今后強化傳熱技術發(fā)展的重要方向,并在此基礎上開發(fā)第三代傳熱技術1242。參考文獻1林宗虎,汪軍,李瑞陽等1強化傳熱技術1北京:化學工業(yè)出版社,2007,12鐘理,譚盈科1國外強化傳熱技術的研究與進展1化工進展,1993,4:153崔海亭,彭培英1強化傳熱

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