強(qiáng)化傳熱技術(shù)及高效節(jié)能設(shè)備

1、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及高效節(jié)能設(shè)備第1頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三1 換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)近20年來，石油、化工等過程工業(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)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功強(qiáng)化傳熱技術(shù)。3第2頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三1 換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)換熱器的強(qiáng)化傳熱就

2、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：Q = KAT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。4第3頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三2 傳熱過程強(qiáng)化的途徑（1）對(duì)流強(qiáng)化傳熱無相變過程強(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)

3、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。5第4頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三2 傳熱過程強(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)冷凝液膜迅速流開壁面；減小冷凝傳熱熱阻等等。6第5頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三2 傳熱過程強(qiáng)化的途徑傳熱系數(shù):滴狀冷凝膜狀冷凝（2）冷凝強(qiáng)化

4、傳熱滴狀冷凝:冷凝液不能潤濕壁面，只能在壁面上形成液珠。液珠長大后，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；往蒸汽中注入不潤濕性介質(zhì)等。7第6頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三82 傳熱過程強(qiáng)化的途徑（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，

5、機(jī)加工管型；整體內(nèi)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。第7頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3 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

6、底層的作用。9第8頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三thRdo3.1 強(qiáng)化傳熱管元件1）螺旋槽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s提高24倍。螺旋槽管結(jié)構(gòu)圖10第9頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3.1 強(qiáng)化傳熱管元件2）橫紋槽管橫紋管的強(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，

7、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。橫紋槽管結(jié)構(gòu)圖11第10頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3.1 強(qiáng)化傳熱管元件3）縮放管換熱管表面的竹節(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?？s放管結(jié)構(gòu)圖12第11頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3.1 強(qiáng)化

8、傳熱管元件4）低螺紋翅片管普通換熱管經(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)生分割低螺紋翅片管結(jié)構(gòu)圖作用，減薄了邊界層的厚度。當(dāng)用于蒸發(fā)時(shí)，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。13第12頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3.1 強(qiáng)化傳熱管元件5）螺旋扁管螺旋扁管(Twisted tube)換熱器是由美國Brown公司推出的

9、。螺旋扁管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是管子的任一截面均為一長圓。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程。螺旋扁管結(jié)構(gòu)圖14第13頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3.1 強(qiáng)化傳熱管元件6）菱形翅片管菱形翅片管為帶有周向非連續(xù)三維翅片的高效傳熱管，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)，液膜被拉菱形翅片管結(jié)構(gòu)圖向根部，使三維翅片表面的液膜厚

10、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。15第14頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三波紋管橫向波紋3.1 強(qiáng)化傳熱管元件7）波紋管螺旋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)，減少了流體傳熱熱阻，增強(qiáng)了傳熱效果。管16第15頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三pressuredrop(kPa)K(W/m2.K)7）波紋管性能160012008004000corrugated tube (exp.)p

11、lain tube (cal.)806040200corrugated tube (exp.)plain tube (cal.)5678910000Re235678910000Re23傳熱性能對(duì)比壓力降對(duì)比17第16頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3.1 強(qiáng)化傳熱管元件8）表面多孔管（燒結(jié)、熱噴涂、電鍍等）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)縫中急速噴出。氣泡噴出時(shí)帶有較大的沖刷力量

12、，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。100表面多孔管結(jié)構(gòu)圖18第17頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三表面多孔管強(qiáng)化傳熱機(jī)制性能曲線對(duì)比19第18頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3.1 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)

13、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。20第19頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三9、 T形翅片管T形槽汽泡換熱管T形翅片管結(jié)構(gòu)圖21第20頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3.1 強(qiáng)化傳熱管元件10） 其他形式換熱管縱向翅片管管內(nèi)靜態(tài)混合器橫向翅片管22第21頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3.2 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

14、是改變管子外形或在管外加翅片，即通過管子形狀或表面性質(zhì)的改造來強(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。23第22頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3.2 殼程強(qiáng)化傳熱（1 ） 不同形式的折流板換熱器梅花孔板網(wǎng)狀孔板24第23頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3.2 殼程強(qiáng)化傳熱（2）折流桿式換熱器20世紀(jì)70年代初，美國菲利浦公司為了解決天然氣流動(dòng)振動(dòng)問題，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

15、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。25第24頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三（2） 折流桿式換熱器折流桿式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)26第25頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三.27（2 ） 折流桿式換熱器折流桿式換熱器流動(dòng)形式死區(qū). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .傳統(tǒng)折流板式

16、換熱器的流體流動(dòng)形式. . . . . . . . . . . . . . . . .第26頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三（2） 折流桿式換熱器折流桿殼體折流圈 X換熱管折流圈 Y導(dǎo)液缺口折流桿式換熱器（與波紋管組合強(qiáng)化）設(shè)計(jì)與制造28第27頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三新型高效節(jié)能換熱器研究開發(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

17、十分顯著。第28頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3.2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。空心環(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。30第29頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三31（3） 空心環(huán)式換熱器空心環(huán)管殼程介質(zhì)管空心環(huán)式換熱器第30頁，共50頁

18、，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三3.2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)展起來的一種管殼式換熱器，是由美國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。32第31頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三（4） 螺旋折流板換熱器將1/4圓周

19、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。33第32頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三（5）扭曲管換熱器扭曲管結(jié)構(gòu)圖34第33頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三（5）扭曲管換熱器管程、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。35第34頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三HEAT TRANSFER ENHANCEMENT TECHNOLOGIES ANDHIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGERS二、緊湊式換熱器與

20、余熱回收器36第35頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三1 緊湊式換熱器以板面式換熱器為主A. 螺旋板式換熱器B. 板式換熱器C. 板翅式換熱器D. 板殼式換熱器37第36頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三1 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。38第37頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三1 緊湊式換熱器1） 螺旋板

21、式換熱器39第38頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三1 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。矩形板片上四角開有圓孔，形成流體通道。冷熱流體交替地在板片兩側(cè)流過，通過板片進(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。40第39頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三1 緊湊式換熱器2） 板式換熱器41第40頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三1 緊湊式換熱器3 ） 板翅式換熱器板翅式

22、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。42第41頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三1 緊湊式換熱器3） 板翅式換熱器逆流錯(cuò)流光直翅片鋸齒翅片多孔翅片43第42頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分，星期三1 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的矛盾。44第43頁，共50頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)57分