換熱設(shè)備強(qiáng)化傳熱的分析與措施

1、換熱設(shè)備強(qiáng)化傳熱的分析與措施路曉琳【摘 要】換熱器是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備，如何有效地改善其傳熱性能是人們一直所關(guān)心的問(wèn)題，強(qiáng)化傳熱則是改善其傳熱性能的最重要手段之一。本文首先介紹了換熱器的應(yīng)用和地位，以傳熱基本方程式為出發(fā)點(diǎn)分析影響換熱器傳熱的因素及改善措施，并對(duì)如何有效強(qiáng)化傳熱系數(shù)的方法和技術(shù)進(jìn)行了深入的研究?！娟P(guān)鍵字】換熱器；強(qiáng)化傳熱；傳熱基本方程式；傳熱系數(shù) 隨著化工、石油、冶金、輕工等工業(yè)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，能源緊缺也成為了世界性重大問(wèn)題之一，尺寸小、重量輕、換熱能力大的換熱設(shè)備因此成為各工業(yè)部門大力發(fā)展和研究的方向，以減少設(shè)備的投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。換熱器是過(guò)程工業(yè)中應(yīng)用廣

2、泛的單元設(shè)備之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在化學(xué)行業(yè)中，所用換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%左右；在煉油廠中，換熱器占全部工藝設(shè)備的40%左右；在熱電廠中，換熱器的投資約占整個(gè)電廠總投資的70%左右；海水淡化工藝裝置更是幾乎全部由換熱器組成，提高換熱器的傳熱效率，對(duì)于提高能量利用率、節(jié)能降耗是一種很有效的途徑，因此強(qiáng)化傳熱的研究成為了人們關(guān)注的課題。換熱器的強(qiáng)化傳熱就是通過(guò)改變影響傳熱過(guò)程的各種因素力求使換熱器在單位時(shí)間、單位傳熱面積上傳遞更多的熱量，通過(guò)這種改善傳熱性能的技術(shù)，提高換熱器的傳熱效率，以達(dá)到用最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備來(lái)傳遞更多熱量的目的，實(shí)現(xiàn)能源的合理利用。一、傳熱強(qiáng)化概述換熱設(shè)備穩(wěn)定傳熱時(shí)的傳熱量為

3、Q，傳熱基本方程式可以表示為：Q=KAtm由方程式可知，換熱設(shè)備的換熱量分別與傳熱系數(shù)K、換熱面積A、傳熱溫差tm成正比，三者均是影響傳熱量的重要物理量，因此，擴(kuò)大傳熱面積A、增大傳熱溫差tm、提高傳熱系數(shù)K均可以使傳熱過(guò)程強(qiáng)化。1、擴(kuò)大傳熱面積A擴(kuò)大傳熱面積是實(shí)現(xiàn)換熱設(shè)備傳熱強(qiáng)化的一種有效途徑，擴(kuò)大傳熱面積不應(yīng)該靠加大設(shè)備的外部尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)從設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)考慮，使換熱設(shè)備高效而緊湊。在管殼式換熱器中，一般采用以下措施：（1） 采用合適導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)，最大限度地?fù)Q熱器傳熱死區(qū)，高效利用換熱面；（2）采用小直徑換熱管，并選擇合適的管間距或排列方式來(lái)合理的布置受熱面，在加大傳熱面積的同時(shí)，還可以改善

4、流動(dòng)特性；（3）采用擴(kuò)展表面換熱面，盡可能增大換熱器的有效傳熱面積；（4）改良傳熱表面性能，將管子內(nèi)、外表面制成各種不同的表面形狀；2、增大傳熱溫差tm增大傳熱溫差tm的方法一般有兩種：一是對(duì)無(wú)相變的流體，盡可能使冷、熱流體相互逆流，或采用換熱網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，合理的布置多股流體流動(dòng)與換熱；二是增加冷、熱流體進(jìn)出口溫度差來(lái)增大平均傳熱溫差tm。無(wú)論哪種方法，因?yàn)橛泄に嚭驮O(shè)備條件的限制，都只能在有限的范圍內(nèi)采用，因此我們不能把增大傳熱溫差tm作為增強(qiáng)換熱器傳熱效果的主要手段。3、提高傳熱系數(shù)K提高換熱設(shè)備的傳熱系數(shù)是傳熱強(qiáng)化的重要途徑，也是當(dāng)前研究傳熱強(qiáng)化的重點(diǎn)。提高傳熱系數(shù)的方法大致可以分為一下幾種：

5、（1）減小污垢熱阻R。換熱器在運(yùn)行一段時(shí)間后，由于污垢的積存，會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)傳熱量Q的下降，傳熱速率降低，因此提高流體流速、減小污垢熱阻是強(qiáng)化傳熱的方法之一。主要方法如下：采用抗腐蝕、抗污垢性強(qiáng)的換熱管；（如聚四氟乙烯塑料管、有機(jī)涂層換熱管。）在介質(zhì)中加入類似無(wú)機(jī)磷系藥劑等阻垢劑類微量物質(zhì)，阻緩換熱器結(jié)構(gòu)，減小垢下腐蝕，（可以確保設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間高效運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命）；定期清洗污垢，常用方法有機(jī)械清洗（高壓射流、噴丸、振動(dòng)和固體顆粒流態(tài)化等清洗方式）和化學(xué)清洗（酸洗、堿洗、氨洗、專用溶劑和燃燒等清洗除垢法），一般常將機(jī)械和化學(xué)清洗兩者結(jié)合使用，但有些清洗劑在溶解垢層的同時(shí)，對(duì)設(shè)備本身也會(huì)產(chǎn)生腐蝕

6、，所以需加入緩蝕劑，防止腐蝕。在日常生產(chǎn)中，針對(duì)不同換熱設(shè)備的本身材質(zhì)、介質(zhì)性質(zhì)以及污垢種類等因素，采取不同的除垢方式來(lái)減小污垢熱阻。（2）主動(dòng)式強(qiáng)化（有源強(qiáng)化）。指需要采用外加的動(dòng)力，消耗外部能量來(lái)增強(qiáng)傳熱的技術(shù)。主要通過(guò)對(duì)換熱介質(zhì)做機(jī)械攪拌、促進(jìn)換熱表面振動(dòng)和流體振動(dòng)、利用電磁場(chǎng)促使換熱表面附近流體的混合、引射與虹吸等方法來(lái)強(qiáng)化傳熱，由于主動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)受外加能量等因素的限制，商業(yè)價(jià)值低、投資與操作費(fèi)用大、機(jī)理較復(fù)雜、伴隨有振動(dòng)和噪聲，因此換熱器的強(qiáng)化傳熱目前多采用被動(dòng)強(qiáng)化。（3）被動(dòng)式強(qiáng)化（無(wú)源強(qiáng)化）。指不需要附加動(dòng)力，只改變傳熱元件本身來(lái)增強(qiáng)傳熱的技術(shù)。管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱目前主要分

7、為兩個(gè)方向：管程強(qiáng)化傳熱和殼程強(qiáng)化傳熱。下面將重點(diǎn)介紹。二、傳熱系數(shù)的強(qiáng)化措施1、管程強(qiáng)化傳熱管程強(qiáng)化傳熱技術(shù)可歸納為兩個(gè)方面：一是采用新型結(jié)構(gòu)的換熱管，通過(guò)改變換熱管形狀以加大管程流體湍流程度或傳熱面積，二是管內(nèi)插物。（無(wú)論是新型換熱管還是管內(nèi)插物，其機(jī)理都是破壞層流邊界層，增加流體的湍流程度，提高傳熱系數(shù)，從而提高換熱器的整體傳熱效率。）（1）新型結(jié)構(gòu)管 橫紋管。如圖1，采用變截面連續(xù)滾軋成型，管外形成與管子軸線成90°相交的橫向溝槽，管內(nèi)呈橫向凸肋。流體流經(jīng)管內(nèi)凸肋時(shí)沿著整個(gè)截面產(chǎn)生軸向渦流，增加了流體邊界層的擾動(dòng)，有利于熱量的傳遞，當(dāng)渦流即將消失時(shí)，流體又流經(jīng)下一個(gè)凸肋，不斷

8、產(chǎn)生軸向渦流，使傳熱得到連續(xù)且穩(wěn)定的強(qiáng)化。圖1 橫紋管結(jié)構(gòu)圖 圖2 螺旋槽管結(jié)構(gòu)圖螺旋槽管。如圖2，管外有帶一定螺旋角的溝槽，管內(nèi)為相應(yīng)的凸肋。凸起和槽紋使得管中的流體形成軸向流動(dòng)和旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，達(dá)到了充分的湍流，產(chǎn)生的漩渦以及近壁面處流體的擾動(dòng)破壞了邊界層厚度，促進(jìn)了傳熱，湍流度的增加有效的避免了污垢在傳熱面的沉積，提高了傳熱系數(shù)，增強(qiáng)了管內(nèi)外流體的換熱。螺旋槽愈深，流阻愈大，螺旋角愈大，愈有利于換熱。 翅片管。由光管內(nèi)或外接翅片制成，翅片按截面形狀可分為矩形、T形、花瓣形、釘翅等。翅片結(jié)構(gòu)不僅有效增加了傳熱面積，同時(shí)改變了流體的流動(dòng)形式和阻力分布。（2）管內(nèi)插物管內(nèi)插物是利用各種金屬的條、帶、

9、片和絲等繞制或扭曲成螺旋形，或沖成帶有缺口的插入帶來(lái)改變管內(nèi)流體的流動(dòng)路徑，加強(qiáng)流體的擾動(dòng)，提高湍流強(qiáng)度，擴(kuò)大傳熱面積，從而獲得較高的傳熱系數(shù)，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。2、殼程強(qiáng)化傳熱換熱設(shè)備殼程強(qiáng)化傳熱的途徑主要有：一是改變管子外形活在管外加翅片，即通過(guò)管子形狀或表面性質(zhì)的改變的來(lái)強(qiáng)化傳熱，如外翅片管、螺紋管等；而是改變殼程擋板或管束支承結(jié)構(gòu)，改變殼程流態(tài)，減少或消除殼程流動(dòng)和傳熱的滯留死區(qū)，達(dá)到充分利用傳熱面積的目的。（1）改變殼程擋板結(jié)構(gòu)雙弓形和多弓形折流板大多傳統(tǒng)的管殼式換熱器多采用單弓形折流板，殼程流體易產(chǎn)生滯留死區(qū)，換熱不充分。雙弓形和多弓形折流板換熱器在殼程將流體分為兩股或多股平行流

10、，橫向流動(dòng)長(zhǎng)度縮短，壓降明顯小于單弓形折流板，且遠(yuǎn)大于傳熱系數(shù)的降低程度，故綜合性能優(yōu)于單弓形折流板換熱器。網(wǎng)狀整圓形折流板 網(wǎng)狀整圓形折流板是在整圓形折流板、帶小孔的整圓形折流板、異形孔整圓形折流板的基礎(chǔ)上依次改進(jìn)產(chǎn)生的，它首先改變了弓形折流板換熱器中的橫向流動(dòng)，避免了流體因轉(zhuǎn)彎而引起的滯留死區(qū)，提高了流體在殼程的流速，其次彌補(bǔ)了整圓形折流板加大換熱器殼體的直徑，缺乏對(duì)管束的支撐，管束抗振性能很差的不足，同時(shí)還改善了帶小孔的整圓形折流板易結(jié)垢和腐蝕、異形折流板加工困難的缺陷。網(wǎng)狀整圓形折流板流體壓力降小，通透性好，傳熱面積被充分利用。（2）改變管束支承結(jié)構(gòu)桿式支承結(jié)構(gòu)折流桿支承結(jié)構(gòu)是由一系列焊有折流桿的折流圈組成的折流籠。折流桿交錯(cuò)穿插于管子之間，折流桿的直徑與相鄰管子之間的間隙基本相同，因此管子被折流桿緊緊固定住。由于折流桿換熱器殼程流體的流動(dòng)方向主要為縱向流動(dòng)，不僅消除了傳熱死區(qū)、減小了殼程壓力降和流體的誘導(dǎo)振動(dòng)、還因?yàn)榱黧w對(duì)管壁較強(qiáng)烈的沖刷，使傳熱邊界層減薄，強(qiáng)化了傳熱。自支承結(jié)構(gòu)自支承結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)采用如刺孔膜片管、螺旋扁管和變截面管等形式的自支承管來(lái)簡(jiǎn)化管束支承，提高換熱器的緊湊度。其特點(diǎn)是換熱器利用管自身一部分或變徑部分的點(diǎn)接觸來(lái)支承管子，同時(shí)組成了殼程的擾流元件，增強(qiáng)了流體的湍流度，破壞了流體傳熱邊界層，從而起到了強(qiáng)化傳熱的作用。改變管束支承結(jié)構(gòu)的方法