強化傳熱技術(shù)及高效節(jié)能設(shè)備(華誼交流)

1、強化傳熱技術(shù)及其高效節(jié)能設(shè)備華東理工大學(xué)化工機械研究所HEAT TRANSFER ENHANCEMENT TECHNOLOGIES AND HIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGERS2一、換熱設(shè)備的強化傳熱技術(shù)HEAT TRANSFER ENHANCEMENT TECHNOLOGIES AND HIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGERS31 換熱器的強化傳熱技術(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，加速了當(dāng)代

2、先進換熱技術(shù)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。強化傳熱已發(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、相對比較成熟的管殼式換熱器無功強化傳熱技術(shù)。41 換熱器的強化傳熱技術(shù) 換熱器的強化傳熱就是力求使換熱器在單位時間內(nèi)，單位傳熱面積傳遞的熱量達到最多。 應(yīng)用強化傳熱技術(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。強化傳熱主要有3種途徑：提高傳熱系數(shù)、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差。TKAQ52 傳熱過程強化的途徑（1）對流強化傳

3、熱 無相變過程強化對流傳熱技術(shù)的研究，可分為管內(nèi)強化和管外強化兩種形式。強化措施大致有：管外采用新型擴展表面；管內(nèi)采用插入物提高攪動程度；管內(nèi)外采用異形管，改變管內(nèi)流體流動狀態(tài)提高傳熱；改變管束支撐件形式，提高流速和攪動程度； 加入不互溶低沸點添加劑，靠汽化潛熱提高傳熱果。62 傳熱過程強化的途徑（2）冷凝強化傳熱 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，通過液膜傳遞給壁面，傳熱熱阻主要集中在冷凝液膜上。 強化冷凝傳熱：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。7（

4、2）冷凝強化傳熱滴狀冷凝: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攜帶著沿途的其他液珠沿壁面流下。與此同時，新的液珠又會在原來的途徑上重新復(fù)生。 實現(xiàn)滴狀冷凝的途徑有：在金屬表面涂上憎水基有機化合物涂層；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。2 傳熱過程強化的途徑傳熱系數(shù):滴狀冷凝膜狀冷凝8（3）沸騰強化傳熱核沸騰傳熱的強化有三種基本方法：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)。 沸騰強化傳熱措施：表面多孔管，燒結(jié)型、電鍍型、化學(xué)腐蝕和機械加工型；T形翅片管或Y形管，機加工管型； 整體內(nèi)螺

5、旋翅片管，強化管內(nèi)沸騰傳熱的機加工管型； 橢圓管用于強化降膜蒸發(fā)器的傳熱；管內(nèi)加金屬絲網(wǎng)強化管內(nèi)沸騰傳熱。2 傳熱過程強化的途徑93 管殼式換熱器的強化傳熱技術(shù) 管殼式換熱器的傳熱強化研究包括管程和殼程兩側(cè)的傳熱強化研究。通過強化傳熱管元件與優(yōu)化殼程結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。3.1 強化傳熱管元件 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，亦可增強湍動，且有破壞層流底層的作用。103.1 強化傳熱管元件1）螺旋槽管

6、 螺旋槽紋管管壁是由光管擠壓而成。其管內(nèi)傳熱強化主要：一是螺旋槽近壁處流動的限制作用，使管內(nèi)流體做整體螺旋運動來產(chǎn)生局部二次流動；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化傳熱的作用，適用于對流、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 橫紋管的強化機理為：當(dāng)管內(nèi)流體流經(jīng)橫向環(huán)肋時，管壁附近形成軸向游渦，增加了邊界層的擾動，使邊界層分離，有利于熱量的傳遞。當(dāng)游渦將要消失時流體又經(jīng)過下一個橫向環(huán)肋，因此不斷產(chǎn)生渦流，保持了穩(wěn)定的強化作用。123.1 強化傳

7、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)流動時，產(chǎn)生收縮和放大效應(yīng)，使介質(zhì)湍動程度增加，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)沿管的軸向流動時，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。其強化作用是在管外。對介質(zhì)的強化作用一方面體現(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，表面螺紋翅片對層流邊層產(chǎn)生分割作用，減薄了邊界層的厚度。 當(dāng)用于蒸發(fā)時，

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，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Brown公司推出的。螺旋扁管的結(jié)構(gòu)特點是管子的任一截面均為一長圓。螺旋扁管的強化機理：由于管子的獨特結(jié)構(gòu)，使管程與殼程同時處于螺旋流動，促進了湍流程度。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。153.1 強化傳熱管元件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)三維翅片

9、的高效傳熱管，其傳熱強化性能優(yōu)于帶周向連續(xù)翅片的螺紋翅片管。當(dāng)用于冷凝強化傳熱時，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，從而提高換熱效果。163.1 強化傳熱管元件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)壁滯流層的流動狀態(tài)，減少了流體傳熱熱阻，增強了傳熱效果。螺旋波紋管橫向波紋管177）波紋管性能567892310000Re040080012001600

10、K (W/m2.K)corrugated tube (exp.)plain tube (cal.)567892310000Re020406080pressure drop (kPa)corrugated tube (exp.)plain tube (cal.)傳熱性能對比壓力降對比183.1 強化傳熱管元件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，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縫中急速噴出

11、。氣泡噴出時帶有較大的沖刷力量，并產(chǎn)生一定的局部負壓，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比強化傳熱機制203.1 強化傳熱管元件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縫中急速噴出。氣泡噴出時帶有較大的沖刷力量，并產(chǎn)生一定的局部負壓，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 殼程強化傳熱殼程強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，即通過管子形狀或表面性質(zhì)的改造來強化傳熱，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 殼程強化傳熱253.2 殼程強化傳熱 20

13、世紀(jì)70年代初，美國菲利浦公司為了解決天然氣流動振動問題，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形翅片管等強化傳熱管組合，形成復(fù)合強化傳熱技術(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)折流板式換熱器的流體流動形式 折流

14、桿式換熱器流動形式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（與波紋管組合強化）設(shè)計與制造新型高效節(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”，被列入國家重點推廣計劃，、“新型縱流殼程換熱設(shè)備現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的研究與應(yīng)用”（獲國家科技進步二等獎）等項目成果，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)濟效益和社會效益十分顯著。303.2 殼程強化傳熱（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?？招沫h(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，

15、呈線性接觸，在緊固裝置螺栓力的作用下，使管束相對緊密固定?？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)，每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度，使殼程流體做螺旋運動，能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角，從而提

16、高了換熱效率。在氣水換熱的情況下，傳遞相同熱量時，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螺旋框架。減少流動阻力、提高流速、減少死區(qū)、強化傳熱。34扭曲管結(jié)構(gòu)圖（5）扭曲管換熱器35 管程、殼程同時強化傳熱，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-EFFICIENCY HEAT EX

17、CHANGERS371 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，兩板之間焊有定距柱以維持流道間距，同時也可增加螺旋板的剛度。在換熱器中心設(shè)有中心隔板，使兩個螺旋通道隔開。 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，通過板片進行換熱。 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，加強湍動，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，即組成為一個單元體。 各個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流式板翅式換熱器組裝件，或稱為板束。再將帶有集流進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，而且結(jié)構(gòu)堅固，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