螺旋螺紋管換熱器傳熱機理

1、SECESPOLSECESPOL 高效換熱理論依據(jù)高效換熱理論依據(jù)傳熱現(xiàn)象是由溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，即以溫度差為動力而產(chǎn)生的能量由高溫向低溫進(jìn)行傳遞的過程稱為傳熱。傳熱有三種基本方式，即熱對流、熱傳導(dǎo)、熱輻射，其中，熱對流是流體各部分之間相對位移所引起的熱傳遞，是傳熱效果最好的一種傳熱方式；熱傳導(dǎo)是由微觀粒子熱運動所引起的熱傳遞；熱輻射是由熱產(chǎn)生的電磁波而進(jìn)行的熱傳導(dǎo)（化工原理 P200 P201） 。這三種傳熱方式的傳熱效果是按照：熱對流熱傳導(dǎo)熱輻射，由高到低依次排列。在實際的化工應(yīng)用中多采用熱對流的傳熱方式進(jìn)行，但是由于流體本身的流動特點，對流傳熱是集熱對流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象（化工原

2、理 P215） 。以下將對影響對流傳熱效果的各個因素的基本原理進(jìn)行說明，并針對 SECESPOL 螺旋螺紋管換熱器與其它傳統(tǒng)換熱器進(jìn)行對比。一、換熱管的壁厚對傳熱的影響；一、換熱管的壁厚對傳熱的影響；不同物質(zhì)單位溫度梯度下的熱通量，稱為該物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，它表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓強有關(guān)系。不同狀態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)是基本按照金屬固體非金屬固體金屬液體非金屬液體氣體的順序從大到小排列（化工原理 P206） 。在間壁傳熱過程中，能量的傳遞速率是與傳熱面積和傳熱面兩側(cè)溫差均成正比，并且還與物質(zhì)本身的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。對于單層平壁傳熱，導(dǎo)熱速率計算公式如

3、下（化工原理 P207）：Q= 公式 1其中：Q；導(dǎo)熱速率，W；S：換熱面積，；：導(dǎo)熱系數(shù)，W/m*；b：平均壁厚，m；t1、t2：兩側(cè)壁面溫度，導(dǎo)熱推動力，；對于傳統(tǒng)平板式換熱器，板片厚度對傳熱系數(shù)影響很大，厚度每減小 0.1mm，對稱型板式換熱器的總傳熱系數(shù)約增加 600W/（m2*K） ，非對稱型約增加 500W/（m2*K） ，換熱器板間流道內(nèi)介質(zhì)平均流速以 0.30.6m/s 為宜，阻力以不大于 100kPa 為宜。 （參考提高板式換熱器效能的優(yōu)化設(shè)計雷新義 山西太原市熱力公司） 。由公式由公式 1 1 可以看出，傳熱界面的導(dǎo)熱系數(shù)與傳熱界面的壁厚成反比?？梢钥闯?，傳熱界面的導(dǎo)熱系數(shù)

4、與傳熱界面的壁厚成反比。SECESPOLSECESPOL 螺旋螺螺旋螺紋管換熱器換熱管束平均厚度為紋管換熱器換熱管束平均厚度為 0.6mm0.6mm，接近普通平板式換熱器板片厚度，接近普通平板式換熱器板片厚度 0.80.81.21.2mmmm（化（化工設(shè)備設(shè)計全書工設(shè)備設(shè)計全書換熱器設(shè)計換熱器設(shè)計 P333P333） ，而傳統(tǒng)管殼式換熱器列管平均壁厚在，而傳統(tǒng)管殼式換熱器列管平均壁厚在 2.02.02.52.5mmmm 之之間（化工原理間（化工原理 P277P277） ，螺旋板換熱器板厚，螺旋板換熱器板厚 2 24 4mmmm（化工原理（化工原理 P272P272） ，在同等材質(zhì)及工況下，在同

5、等材質(zhì)及工況下，SECESPOLSECESPOL 螺旋螺紋管換熱器換熱管壁的導(dǎo)熱系數(shù)是其它傳統(tǒng)換熱器的螺旋螺紋管換熱器換熱管壁的導(dǎo)熱系數(shù)是其它傳統(tǒng)換熱器的 1.31.37 7 倍。倍。二、液體流動狀態(tài)對傳熱系數(shù)的影響；二、液體流動狀態(tài)對傳熱系數(shù)的影響；當(dāng)流體流過固體壁面時，由于流體黏性的作用，使壁面附近的流體減速而形成流動邊界層，邊界層內(nèi)存在速度梯度。當(dāng)邊界層內(nèi)的流動處于滯流狀態(tài)時，稱為滯流邊界層；當(dāng)邊界層內(nèi)的流動發(fā)展為湍流時，稱為湍流邊界層。但是，即使是湍流邊界層，靠近壁面處仍有一薄層（滯流內(nèi)層）存在，在此薄層內(nèi)流體呈滯流流動。滯流內(nèi)層和湍流主體之間稱為緩沖層。由于滯流內(nèi)層中流體分層運動，相

6、鄰層間沒有流體的宏觀運動，因此在垂直于流動方向上不存在熱對流，該方向上的熱傳遞僅為流體的熱傳導(dǎo)（實際上，在滯流流動時的傳熱總是要受到自然對流的影響，使傳熱加?。?。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使滯流內(nèi)層內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，即溫度梯度較大。在湍流主體中，由于流體質(zhì)點的劇烈混合并充滿漩渦，因此湍流主體中溫度差（溫度梯度）極小，各處溫度基本相同。在緩沖層區(qū)，熱對流和熱傳導(dǎo)的作用大致相同，在該層內(nèi)溫度發(fā)生緩慢的變化。圖 1表示冷熱流體在壁面兩側(cè)的流動情況和與流體流動方向相垂直的某一截面上的流體溫度分布情況。由上分析可知，對流傳熱是集熱對流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象，對流傳熱的熱阻主要集中

7、在滯流內(nèi)層，因此，減薄滯流內(nèi)層的厚度是強化對流傳熱的主要途徑。 （化工原理 P215）圖 1 冷熱流體間壁式傳熱對于多層平壁熱傳導(dǎo)的總推動力為各層溫度差之和，即總溫度差，總熱阻為各層熱阻之和（化工原理 P209），導(dǎo)熱速率計算公式為： 公式 2Q= 公式 3其中：Q：導(dǎo)熱速率，W；Ti：編號為 i 的間壁的兩側(cè)溫差，；Ri：編號為 i 的間壁的熱阻，/W，即：熱阻=通過公式 2 和公式 3 可以看出，在同等工況下，即保持間壁兩側(cè)溫差、換熱面積、材料導(dǎo)熱系數(shù)等不變的前提下，導(dǎo)熱速率與換熱間壁壁厚及其兩側(cè)滯流內(nèi)層厚度之和成反比，也就是說，若將換熱間壁及其兩側(cè)滯流內(nèi)層厚度同時將換熱間壁及其兩側(cè)滯流內(nèi)

8、層厚度同時減少一半，總導(dǎo)熱速率則是原來的兩倍減少一半，總導(dǎo)熱速率則是原來的兩倍。由于換熱器內(nèi)部介質(zhì)流動狀態(tài)復(fù)雜，無法采用公式準(zhǔn)確計算滯流內(nèi)層厚度與流速的關(guān)系，但是可以通過相關(guān)資料提供的經(jīng)驗公式進(jìn)行類比推算。注：（化工原理 P41）參考上述資料，在同等工況下，介質(zhì)流速 u 對滯流邊界層厚度 的比例關(guān)系可以推算：，即邊界層厚度平方與介質(zhì)平均流速成反比。另外，上述公式是在平板換熱壁面的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論估算的，而對于非平板換熱壁面，如平板式換熱器板片、螺紋換熱管及波紋換熱管等，換熱壁面的幾何形狀干擾了平流層液體流動，最大可能地將流過壁面的流體強制湍流狀態(tài)，并且增加流體對換熱壁面垂直沖刷的幾率，會大大減小

9、邊界層厚度。由于換熱器內(nèi)部介質(zhì)流動狀態(tài)復(fù)雜，暫時沒有相關(guān)的理論公式或經(jīng)驗公式進(jìn)行相關(guān)計算驗證，但根據(jù)相關(guān)實際使用工況的使用情況，得出邊界層厚度與介質(zhì)的流速有關(guān)，介質(zhì)流速越高，湍流效果越劇烈，對換熱壁面沖刷的強度也越大，傳熱效果也會更好。由上述公式推導(dǎo)可以看出，設(shè)備內(nèi)部液體介質(zhì)流速對換熱管壁滯流層厚度由上述公式推導(dǎo)可以看出，設(shè)備內(nèi)部液體介質(zhì)流速對換熱管壁滯流層厚度有一定影響。有一定影響。SECESPOL 螺旋螺紋管換熱器殼程設(shè)計流速為螺旋螺紋管換熱器殼程設(shè)計流速為 5.5m/s，而傳統(tǒng)管殼，而傳統(tǒng)管殼式換熱器殼程設(shè)計流速一般在式換熱器殼程設(shè)計流速一般在 0.52 m/s 之間（化工原理之間（化工

10、原理 P276） ，螺旋板換熱器，螺旋板換熱器一般不超過一般不超過 2m/s（化工原理（化工原理 P272） ，普通平板式換熱器板片間流體設(shè)計流速在，普通平板式換熱器板片間流體設(shè)計流速在0.30.6 m/s 之間（之間（化工設(shè)備設(shè)計全書化工設(shè)備設(shè)計全書換熱器設(shè)計換熱器設(shè)計 ） ，由此可以看出，由此可以看出，SECESPOL 螺旋螺紋管換熱器殼程流速在其它換熱器的螺旋螺紋管換熱器殼程流速在其它換熱器的 211 倍，根據(jù)相關(guān)理論倍，根據(jù)相關(guān)理論公式，其邊界層厚度是其它換熱器邊界層厚度的公式，其邊界層厚度是其它換熱器邊界層厚度的 3/107/10，大大提高了總導(dǎo)，大大提高了總導(dǎo)熱速率。熱速率。三、污

11、垢熱阻：三、污垢熱阻：換熱器在實際操作中,傳熱表面上常有污垢積存,對傳熱產(chǎn)生附加熱阻,使總傳熱系數(shù)降低.估算 K 值時一般不能忽略污垢熱阻,由于污垢層的厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)難以準(zhǔn)確地估計,因此通常選用污垢熱阻的經(jīng)驗值作為計算 K 值的依據(jù).(化工原理 P220)如上截取相關(guān)資料，在公式 4-42 中，各部分參數(shù)說明如下：K：總傳熱系數(shù)，W/（） ；i，o：換熱器管內(nèi)側(cè)和外側(cè)流體對流傳熱系數(shù)，W/（） ；Rsi，Rso：換熱器管內(nèi)側(cè)和外側(cè)流體污垢熱阻，/W；b：換熱管壁厚，m；：材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m） ；由式 4-42 可以看出污垢熱阻是直接疊加在總熱阻之上的，另外水垢的熱阻系數(shù)（即導(dǎo)熱系數(shù)的倒數(shù)

12、）約為金屬材料的 200 倍，是傳熱系數(shù)的最大殺手。隨著設(shè)備使用時間的增加，附著在管壁的污垢逐漸累積，厚度不斷增加，大大影響設(shè)備傳熱系數(shù)及換熱效率。如何降低換熱器管壁的結(jié)垢傾向和累積速率，成為保證設(shè)備換熱效率最有效手段。影響結(jié)垢速度的相關(guān)因素主要包括以下幾個方面：1. 介質(zhì)的硬度、微生物含量、對管壁的銹蝕能力等；2.流體的流動速度：在換熱器中，流速對污垢的影響應(yīng)該同時考慮其對污垢沉積和污垢剝蝕的影響，對于各類污垢，對于流速增大引起剝蝕率的增大較污垢沉積的速率更為顯著，所以污垢增長率隨著流速的增大而減小；3.傳熱壁面的溫度：溫度對于化學(xué)反應(yīng)結(jié)垢和鹽類析晶結(jié)垢有著重要的作用，流體溫度的增加一般會導(dǎo)

13、致化學(xué)反應(yīng)速度和結(jié)晶速度的增大從而對污垢的沉積量產(chǎn)生影響，導(dǎo)致污垢增長率升高。4.換熱面材料和表面質(zhì)量：對于常用的碳鋼、不銹鋼而言只是通過腐蝕產(chǎn)物的沉積而影響結(jié)垢；而如果采用耐蝕性能良好的石墨或陶瓷等非金屬材料，則不易發(fā)生結(jié)垢。換熱面材料的表面質(zhì)量會影響污垢的形成和沉積表面粗糙度越大越有利于污垢的形成和沉積。由上述相關(guān)論述可以看出，由上述相關(guān)論述可以看出，SECESPOL 螺旋螺紋管換熱器結(jié)垢傾向低主要體螺旋螺紋管換熱器結(jié)垢傾向低主要體現(xiàn)在：采用不銹鋼現(xiàn)在：采用不銹鋼 316 材質(zhì)，保證換熱面材料質(zhì)量，避免出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物的沉積材質(zhì)，保證換熱面材料質(zhì)量，避免出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物的沉積而結(jié)垢，管束壁面光滑，

14、垢質(zhì)難附著；彈性管束纏繞結(jié)構(gòu)設(shè)計，強化湍流狀態(tài)，而結(jié)垢，管束壁面光滑，垢質(zhì)難附著；彈性管束纏繞結(jié)構(gòu)設(shè)計，強化湍流狀態(tài)，增強了對換熱管束壁面的沖刷，減少了滯流內(nèi)層厚度，大大降低了垢質(zhì)附著的增強了對換熱管束壁面的沖刷，減少了滯流內(nèi)層厚度，大大降低了垢質(zhì)附著的幾率；介質(zhì)設(shè)計流速為幾率；介質(zhì)設(shè)計流速為 5.5m/s，是傳統(tǒng)換熱器的，是傳統(tǒng)換熱器的 211 倍，增加了垢質(zhì)的剝蝕倍，增加了垢質(zhì)的剝蝕率，降低了垢質(zhì)附著幾率。由此可以看出，率，降低了垢質(zhì)附著幾率。由此可以看出，SECESPOL 螺旋螺紋管換熱器從材料、螺旋螺紋管換熱器從材料、設(shè)計、結(jié)構(gòu)等方面充分考慮到了如何降低污垢熱阻，保證設(shè)備的高效傳熱。設(shè)計、結(jié)構(gòu)等方面充分考慮到了如何降低污垢熱阻，保證設(shè)備的高效傳熱。由于換熱器內(nèi)部介質(zhì)流動狀態(tài)復(fù)雜，對于傳熱系數(shù)的其它影響因素，如湍由于換熱器內(nèi)部介質(zhì)流動狀態(tài)復(fù)雜，對于傳熱系數(shù)的其它影響因素，如湍流劇烈程度、溫度梯度等，暫時沒有相關(guān)的理論公式或經(jīng)驗公式進(jìn)行相關(guān)計算流劇烈程度、溫度梯度等，暫時沒有相關(guān)的理論公式或經(jīng)驗公式進(jìn)行相關(guān)計算驗證，本文暫不進(jìn)行相關(guān)理論論述。綜上所述，驗證，本文暫不進(jìn)行相關(guān)理論論述。綜上所述，SECESPOL 螺旋螺紋管換熱器無螺旋螺紋管換熱器無論從選材、壁厚、結(jié)構(gòu)、設(shè)計、加工等方面，還是從實際使用工況方面，