交流材料之四(強(qiáng)化型熱交換器現(xiàn)狀及發(fā)展)

強(qiáng)化型熱交換器發(fā)展現(xiàn)狀ZhuRuisongzrs流材料之四2023-02-0211強(qiáng)化傳熱目的應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)的目的：提高換熱設(shè)備的效率減少能量傳遞過(guò)程中的不可逆損失合理有效地利用能源減少換熱面積降低金屬消耗2023-02-0222強(qiáng)化傳熱現(xiàn)狀國(guó)際上:各種強(qiáng)化型換熱器在石油、化工、制冷、航空、車輛及動(dòng)力機(jī)械等工業(yè)部門得到使用。尤其在低溫差能源領(lǐng)域應(yīng)用：在地?zé)豳Y源、海洋熱能、太陽(yáng)能以及余熱等利用中，應(yīng)用強(qiáng)化技術(shù)的換熱器就更有應(yīng)用價(jià)值。我國(guó):目前的管殼式換熱器仍以弓形折流板加光滑管為主，效率低，能耗高。2023-02-0233強(qiáng)化傳熱原理傳熱過(guò)程強(qiáng)化原理：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盡可能增多。根據(jù)傳熱學(xué)的基本公式Q＝K·F·ΔTm可知，增強(qiáng)傳熱的途徑有三條：（1）提高換熱器的傳熱系數(shù)K；（2）加大換熱器的換熱面積F；（3）加大對(duì)數(shù)平均溫差ΔTm。2023-02-024強(qiáng)化傳熱原理實(shí)際工作中（1）加大換熱器的換熱面積F成本？（2）加大對(duì)數(shù)平均溫差ΔTm工藝？（3）提高換熱器的傳熱系數(shù)K對(duì)無(wú)相變傳熱來(lái)說(shuō)，所有的研究均是以破壞邊界層，使邊界層減薄，降低邊界層熱阻，從而提高傳熱系數(shù)為目的。2023-02-0254強(qiáng)化傳熱手段

強(qiáng)化管程傳熱

a.只需做單管的傳熱與流阻實(shí)驗(yàn)，設(shè)備簡(jiǎn)單b.各種類型的強(qiáng)化傳熱管和管內(nèi)插入物

強(qiáng)化殼程傳熱

a.需做管束的傳熱與流體阻力實(shí)驗(yàn)，設(shè)備龐大b.采用新的管間支撐結(jié)構(gòu)、新的管束排列方法2023-02-0265新型高效換熱器強(qiáng)化管程：1.麻花扁管2.螺旋槽紋管（螺紋管）3.橫紋管4.縮放管5.波紋管6.管內(nèi)插入物

強(qiáng)化殼程：1.折流桿2.螺旋折流板3.縱流管束4.高效沸騰傳熱管2023-02-027新型高效換熱器管殼式以外的新型：1.板殼式：可拆卸板殼式、焊接板殼式2.螺旋板式2023-02-0285.1麻花扁管換熱器開發(fā)：瑞典Alares公司的新產(chǎn)品，后經(jīng)BrownFin—tube公司改進(jìn)。原理：由于管子結(jié)構(gòu)獨(dú)特，使管程和殼程同時(shí)處于螺旋流運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了湍流。該換熱器總傳熱系數(shù)較現(xiàn)有換熱器提高40％，而壓力降幾乎相等。組裝時(shí)亦可采用麻花扁管與光管混合配置，嚴(yán)格按照ASME標(biāo)準(zhǔn)制造。2023-02-029麻花扁管換熱器制造：包括“壓扁”和“熱扭”兩個(gè)工序。

特點(diǎn)：改進(jìn)了傳熱，減少了結(jié)垢，真正逆流，無(wú)振動(dòng)，節(jié)省了空間，無(wú)折流元件，降低了成本?？捎霉軞な綋Q熱器之處均可用此種換熱器替換。2023-02-02105.2螺旋槽管換熱器

原理：當(dāng)流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，受螺旋槽的引導(dǎo)，管內(nèi)流體做螺旋運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生局部二次流，有利于減少流體邊界層厚度，因而可以加快由壁面到流體主體的熱量傳遞。應(yīng)用：可應(yīng)用于熱電廠，城市區(qū)域集中供熱、采暖、空調(diào)以及石油、化工等行業(yè)的汽－－水和水－－水換熱場(chǎng)合。

2023-02-0211螺旋槽管換熱器

特點(diǎn)1：對(duì)于管程蒸汽冷凝過(guò)程，冷凝液易于沿螺旋槽道排除，同時(shí)也增加了層流液膜的擾動(dòng)，從而減少熱阻，提高冷凝放熱系數(shù)。特點(diǎn)2：采用螺旋槽管作為傳熱管，管程流體產(chǎn)生強(qiáng)烈地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)換熱管壁有較強(qiáng)地沖刷作用，以及螺旋槽管本身具有熱補(bǔ)償能力，熱脹冷縮，管壁不易結(jié)垢。2023-02-02125.3橫紋管換熱器

原理：

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，該游渦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)旋渦將要消失時(shí)流體又經(jīng)過(guò)下一個(gè)橫向環(huán)肋，因此不斷產(chǎn)生渦流，保持了連續(xù)、穩(wěn)定的強(qiáng)化作用。

2023-02-0213橫紋管換熱器

2023-02-02145.4縮放管換熱器

原理：縮放管是由依次交替的收縮段和擴(kuò)張段組成的波形管道。在擴(kuò)張段中流體速度降低，靜壓增加；在收縮段中流體速度增加，靜壓減小。在擴(kuò)張段中由于流體質(zhì)點(diǎn)速度變化產(chǎn)生劇烈的游渦并在收縮段中得到有效利用，而且沖刷流體邊界層，使其減薄。在相同流體阻力下，有比光管更好的傳熱性能。2023-02-02155.5波紋管換熱器

示意圖：2023-02-0216

波紋管換熱器

實(shí)物：2023-02-0217波紋管換熱器

原理：

波紋管式不銹鋼換熱器，由于其截面的周期性變化，使管內(nèi)外流體總是處于規(guī)律性的擾動(dòng)狀態(tài)，流體在管內(nèi)周期性的能量積累與釋放使整個(gè)換熱器內(nèi)表面都受到流體沖刷，由于沖刷良好，不易形成污垢層，從而使換熱系數(shù)得到提高，換熱器能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期而穩(wěn)定的強(qiáng)化傳熱，其度值較光管式提高2—3倍。2023-02-0218波紋管換熱器簡(jiǎn)介：

波紋管是以普通光滑換熱管為基管，采用無(wú)切削滾扎工藝，使管內(nèi)外表面金屬塑性變形而成。管型：雙側(cè)帶有波紋。

2023-02-0219波紋管換熱器傳熱機(jī)理：

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。

2023-02-0220波紋管換熱器特點(diǎn)1：換熱效率高

介質(zhì)在波紋管內(nèi)、外流動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)的流速大小和方向不斷在改變，在低流速下易形成湍流，可減薄層流底層，提高傳熱膜系數(shù)。2023-02-0221波紋管換熱器波紋管與光管管內(nèi)膜傳熱系數(shù)與阻力的對(duì)比層流區(qū)：隨Re↑→hi↑↑（達(dá)到強(qiáng)化最大值3.7）→△Pi↑過(guò)渡流區(qū)：隨Re↑→hi↑（增加的速度下降）→△Pi↑湍流區(qū)：隨Re↑→hi↑（增加的速度幾乎不變，強(qiáng)化2.6倍）→△Pi↑（2.6～2.7倍）

2023-02-0222波紋管換熱器波紋管與光管管外膜傳熱系數(shù)與阻力的對(duì)比在加工時(shí)管外被擠壓成凹槽，由于波距較大、槽深較淺，故傳熱表面增加很少。但是波紋狀的管壁可以增加流體的湍動(dòng)，使得殼程傳熱系數(shù)和阻力也有不同程度的增加。波紋管實(shí)際上是一種雙側(cè)強(qiáng)化傳熱管型，管內(nèi)強(qiáng)化傳熱效果突出、管外抵不上螺紋管。

2023-02-0223波紋管換熱器相同操作條件下，與光管換熱器總傳熱系數(shù)與阻力的對(duì)比2023-02-0224波紋管換熱器特點(diǎn)2：自補(bǔ)償能力強(qiáng)

波紋管屬柔性元件，可近似看成多個(gè)補(bǔ)償節(jié)，在大溫差、大壓差情況下的變形可以自補(bǔ)償，對(duì)管板及殼體的作用力小。

2023-02-0225波紋管換熱器特點(diǎn)3：防垢和自除垢由于管壁表面光滑，且介質(zhì)呈三維流動(dòng)，不斷沖刷管壁表面，污垢不易形成。在溫差和壓差作用下會(huì)使波紋管發(fā)生微小變形，由于管子與垢線膨脹系數(shù)相差很大，可使垢自動(dòng)脫落。2023-02-0226波紋管換熱器特點(diǎn)4：應(yīng)力分布均勻

獨(dú)特的自由成型加工工藝，波紋在成型過(guò)程中沒(méi)有金屬模具的限位，殘余應(yīng)力小，應(yīng)力分布均勻，不宜發(fā)生應(yīng)力腐蝕。2023-02-0227波紋管換熱器特點(diǎn)5：體積小重量輕

因其換熱效率高，在同樣熱負(fù)荷條件下所需要設(shè)備體積小、重量輕，安裝維護(hù)方便，從而降低設(shè)備總投資。

2023-02-0228波紋管換熱器特點(diǎn)6：節(jié)能降耗顯著

波紋管換熱器的傳熱能力是列管式換熱器的1.5~3倍，表現(xiàn)為：（1）冷卻水消耗量小。相同熱負(fù)荷下耗水量只有列管式換熱器的30%~50%。（2）泵功耗低，節(jié)約電能。

2023-02-0229波紋管換熱器應(yīng)用：EA-4110A/B

EA-4110A/B為芳烴廠抽提裝置溶劑回收塔冷凝器，選用了北京廣廈公司的波紋管換熱器。該裝置于2001年10月一次投產(chǎn)成功；2002年1月，對(duì)該裝置進(jìn)行了標(biāo)定，波紋管換熱器各項(xiàng)指標(biāo)均好于設(shè)計(jì)值。

2023-02-0230波紋管換熱器應(yīng)用：EA-4110A/B技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 標(biāo)定值 操作參數(shù) 殼程 管程 殼程 管程

芳烴 水 芳烴 水介質(zhì)總流率，Kg/h 36,990 39,3062 33,750 269,990進(jìn)口溫度，℃ 54 33 53 20出口溫度，℃ 40 43 22 33進(jìn)口壓力，Mpa(絕壓) 0.04 0.5 0.04 0.5出口壓力，Mpa(絕壓) 0.029 0.47 0.03 0.48計(jì)算熱負(fù)荷，GJ/h 16.43 14.69 總傳熱系數(shù)，KJ/m2.℃.h 3570 3608 平均溫差，℃ 8.84 7.82 計(jì)算面積，m2 520 采用面積，m2 320x2=640 設(shè)備型號(hào) BHC1100-320-1.0-W 管程數(shù) 2 殼程數(shù) 1 換熱管規(guī)格，mm Φ25x5000 折流板形式 弓型 折流板間距，mm 350 串聯(lián)臺(tái)數(shù)，臺(tái) 2

2023-02-0231波紋管換熱器應(yīng)用效益1：

EA-4110A/B波紋管換熱器的換熱面積為640m2，流程為單殼程雙管程，芳烴出口溫度小于40℃；若用普通列管式換熱器，換熱面積1230m2，流程為單殼程四管程，且芳烴出口溫度大于40℃。

2023-02-0232波紋管換熱器應(yīng)用效益2：

EA-4110A/B用波紋管換熱器，不僅設(shè)備重量減少了2/3，體積也減小，相應(yīng)減少了框架的鋼材用量及土建基礎(chǔ)的投資。波紋管能防垢和自除垢，可節(jié)省設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。波紋管換熱器具有自補(bǔ)償作用，管子與管板處不易泄露，可延長(zhǎng)設(shè)備開工周期。

2023-02-0233波紋管換熱器應(yīng)用效益3：

EA-4110A/B波紋管換熱器一次性投資84萬(wàn)元，按15年折舊計(jì)算，折舊費(fèi)為5.6萬(wàn)元/年。而波紋管換熱器能使冷卻水出口溫度提高2~4℃。若以提高2℃計(jì)，每小時(shí)可節(jié)水78.6噸，若年開工按8400小時(shí)計(jì)，冷卻水按0.22元/噸計(jì)，一年可節(jié)約水費(fèi)14.5萬(wàn)元，大大高于設(shè)備折舊費(fèi)。2023-02-02345.6管內(nèi)插入物換熱器

原理：

用插入物強(qiáng)化管內(nèi)單相流體傳熱，尤其是對(duì)強(qiáng)化氣體、低雷諾數(shù)流體或高粘度流體的傳熱更為有效。各種插入物強(qiáng)化傳熱的機(jī)理是，利用插人物使流體產(chǎn)生徑向流動(dòng)，從而加強(qiáng)流體的混合，獲得較高的對(duì)流換熱系數(shù)。管內(nèi)插入物很多，如螺旋線、扭帶、錯(cuò)開扭帶、螺旋片和靜態(tài)混合器等。2023-02-02356.1折流桿換熱器

2023-02-0236折流桿換熱器

2023-02-0237折流桿換熱器結(jié)構(gòu)：折流桿式換熱器是一種以折流柵代替折流板的換熱器，它由排布的支撐桿形成一系列的殼程折流，每副單一的折流柵的主要構(gòu)件包括支撐桿、折流環(huán)交叉支撐拉桿、縱向滑動(dòng)桿。支撐桿桿端均焊接在圓環(huán)折流環(huán)上，采用4種不同布置方式的折流柵構(gòu)成折流柵組。2023-02-0238折流桿換熱器原理1：控制一臺(tái)換熱設(shè)備傳熱效率的是傳熱能力相對(duì)較差一側(cè)的傳熱能力，而這一側(cè)往往是殼程，美國(guó)人首先發(fā)明了折流桿列管式冷換設(shè)備。首先它的軸向流動(dòng)方式，減少了殼程流體的滯流、回流和死區(qū)，減少了壓降和污垢沉積；而且桿后的卡門渦街脫落效應(yīng)在傳熱管子表面產(chǎn)生紊流，提高了殼側(cè)膜傳熱系數(shù)。2023-02-0239折流桿換熱器原理2：折流桿的夾持作用又抑制了破壞性振動(dòng)，使冷換設(shè)備大型化成為可能。但是折流桿傳熱器不是萬(wàn)能的，它有著自己的局限性，特別在低Re數(shù)、高粘度介質(zhì)中很難形成有效卡門渦街，達(dá)不到高傳熱效率的要求。為進(jìn)一步提高殼程傳熱能力，于是產(chǎn)生了螺旋折流板式列管冷換設(shè)備。2023-02-02406.2螺旋折流板換熱器弓形折流板換熱器優(yōu)缺點(diǎn)：傳統(tǒng)的管殼式換熱器多采用弓形折流板。優(yōu)點(diǎn)是：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；（2）制造方便。2023-02-0241螺旋折流板換熱器缺點(diǎn)是：（1）流動(dòng)死區(qū)大，換熱系數(shù)小。在兩個(gè)折流通道變向過(guò)渡區(qū)域，流體取最短路程斜向前進(jìn)，就形成一個(gè)介質(zhì)相對(duì)靜止的三角形空間－－介質(zhì)滯流區(qū)，處于滯流區(qū)的管子表面換熱很差，相當(dāng)于減少了一部分換熱面積。（2）流動(dòng)壓降大。弓形折流板在殼體內(nèi)垂直于換熱管束，使殼側(cè)形成若干個(gè)并列折返通道。（3）防污垢沉積能力差。（4）難以大型化。目前國(guó)內(nèi)最大的冷換設(shè)備換熱面積只有1000—2000m2，而國(guó)外可以達(dá)到5000—6000m2，甚至更多。2023-02-0242螺旋折流板換熱器

2023-02-0243螺旋折流板換熱器2023-02-0244螺旋折流板換熱器

2023-02-0245螺旋折流板換熱器特點(diǎn)：

螺旋折流板冷換設(shè)備殼程中的介質(zhì)既不是橫向流．也不是縱向流，而是一種螺旋狀斜向流，該種流動(dòng)方式能適用包括高粘原油、渣油在內(nèi)的所有介質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)顯著地提高了換熱效率，大幅度降低了壓力降．控制了振動(dòng)造成的破壞，減少了污垢沉積的可能性，為冷換設(shè)備的大型化提供了廣闊的前景。2023-02-0246螺旋折流板換熱器特點(diǎn)：介質(zhì)在殼體內(nèi)連續(xù)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。避免了大斜度折返帶來(lái)的嚴(yán)重樂(lè)力損失，因?yàn)榫哂械蛪毫堤攸c(diǎn)。故可利用不同角度調(diào)整流通截面，使提高流速成為可能，大量實(shí)驗(yàn)證明，高的膜傳熱系數(shù)來(lái)源于大的Re數(shù)，高的流速是提高Re數(shù)的重要條件、而這一條件是傳統(tǒng)弓形折流板所不能達(dá)到的，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不合理產(chǎn)生的壓力降成為它不可逾越的障礙。2023-02-0247螺旋折流板換熱器特點(diǎn)：螺旋折流板改變了殼體結(jié)構(gòu)，在保持較低壓力降的情況下大幅度提高介質(zhì)流速，這樣Re數(shù)的增加可以提高膜傳熱系數(shù)，因?yàn)檎哿靼迨锹菪隣罱Y(jié)構(gòu)，介質(zhì)流形成的旋渦．從圓心到半徑方向存在較大的速度梯度，這個(gè)速度梯度場(chǎng)能在管子表面產(chǎn)生湍流，使邊界層減薄，利于提高膜傳熱系數(shù)。2023-02-0248螺旋折流板換熱器特點(diǎn)：另外，由于連續(xù)的螺旋支撐，減小了管束跨距，使得管于的固有頻率避開了流體的激振頻率，避免廠因共振引起的破壞，從而延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行壽命，降低設(shè)備維修費(fèi)用。由于流體螺旋運(yùn)動(dòng)的有效沖刷，污垢沉積減少，熱阻穩(wěn)定性增加，使換熱器氏期遠(yuǎn)行在高效狀態(tài)，達(dá)到了節(jié)能的目的。2023-02-0249螺旋折流板換熱器特點(diǎn)：(1)螺旋流動(dòng)增強(qiáng)了流動(dòng)湍動(dòng)，強(qiáng)化傳熱；

(2)相同流量下，流動(dòng)壓降??；(3)不易結(jié)垢；(4)消除了弓形折流板后面的卡門渦，防止流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)；(5)對(duì)于低雷諾數(shù)下(Re＜1000)的傳熱，其效果更為突出。2023-02-02506.3縱流管束換熱器原理：德國(guó)GRIMMA公司制造的一種整圓形折流板換熱器，其結(jié)構(gòu)為折流板上開橫排管孔，以4個(gè)孔為一組將管板處銑通，殼側(cè)流體在管板處沿著軸向流動(dòng)，避免了流體團(tuán)轉(zhuǎn)折引起的滯留區(qū)。該公司用不同粘度的甘油和水混合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在中低粘度范圍內(nèi)，縱流管束換熱器傳熱效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的圓缺形折流板換熱器。2023-02-02516.4高效沸騰傳熱管原理：強(qiáng)化沸騰傳熱的方法主要有各種特殊加工和表面處理、肋化表面、移置式強(qiáng)化物、渦流裝置及靜電場(chǎng)等。目前國(guó)內(nèi)外使用較多的是機(jī)加工成型的表面多孔管。其中美國(guó)聯(lián)合碳化公司的HIGH-FLUX，日本日立公司的E管和改進(jìn)型Ea管，德國(guó)Wieland-Werke公司的T管最為著名，占據(jù)了主要的市場(chǎng)。2023-02-0252高效沸騰傳熱管T管：以光滑管為毛坯，配以合適刀、模、夾具，采用無(wú)切屑機(jī)械滾軋方法即可成形。成形后的T形翅片管外表面為比較密集的帶螺旋狀的T字形翅片，翅片間形成一道細(xì)小的狹縫，狹縫下方為比較寬闊的螺旋隧道。這種特殊的表面結(jié)構(gòu)能促進(jìn)在管外沸騰的液體變成為在隧道壁上進(jìn)行的極其高效的液膜蒸發(fā)。2023-02-02537.1板殼式換熱器簡(jiǎn)介：芬蘭Vahterus（伐德魯斯）板殼式換熱器自1990年發(fā)明以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷的研究開發(fā)，現(xiàn)已發(fā)明了全焊接的板殼式換熱器。具有管殼式換熱器耐高溫、高壓、安全可靠，并且有板式換熱器的高效緊湊、小溫差換熱的特點(diǎn)?？勺鳛閾Q熱器、蒸發(fā)器、冷凝器等廣泛地應(yīng)用于化工、制冷、能源等領(lǐng)域。2023-02-0254板殼式換熱器特點(diǎn)：1.設(shè)計(jì)：壓力（Mpa）1～10，設(shè)計(jì)溫度-80~400℃,特殊設(shè)計(jì)600℃。2.規(guī)格齊全m2：0.07~1500m2/臺(tái)。3.傳熱系數(shù)：500～4000W/m2.K。4.最小對(duì)數(shù)溫差：1℃。5.對(duì)于全焊接構(gòu)，不需要更換墊片，無(wú)泄漏，安全可靠。6.結(jié)構(gòu)緊湊