管殼式換熱器的換熱管強(qiáng)化傳熱技術(shù)淺述

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1、管殼式換熱器的換熱管強(qiáng)化傳熱技術(shù)淺述摘要本文主要介紹了管殼式換熱器換熱管強(qiáng)化傳熱技術(shù)，分析了各自的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及推薦的使用場合。采用節(jié)能技術(shù)的換熱器不僅提高了能源的利用率,而且減少了金屬材料的消耗,對化工行業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。一、換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的概述近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、高節(jié)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。圖1：管殼式換熱器結(jié)構(gòu)圖特別是始于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

2、研究領(lǐng)域。換熱器作為一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備,在化工、石油、石油化工、冶金、輕工、食品等行業(yè)中就得到了普遍應(yīng)用。換熱設(shè)備傳熱過程的強(qiáng)化主要是使換熱設(shè)備能在單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上傳遞的熱量達(dá)到最大化從而實(shí)現(xiàn)下述目的：⑴．減小設(shè)計(jì)傳熱面積,以減小換熱器的體積和質(zhì)量⑵．提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力⑶．使換熱器能在較低溫差下工作⑷．減小換熱器的阻力,以減少換熱器的動(dòng)力消耗二、強(qiáng)化傳熱的原理從傳熱學(xué)中我們知道換熱器中的傳熱量可用下式計(jì)算，即Q=kFΔT（1）式中：k-傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]F-傳熱面積[m2]ΔT-冷熱液體的平均溫差[K]從上式可以看出，欲增加傳熱量Q，可用增加k、F

3、或ΔT來實(shí)現(xiàn)。下面我們對此分別加以討論。2.1.增加冷熱液體的平均溫差ΔT在換熱器中冷熱液體的流動(dòng)方式有四種，即順流、逆流、交叉流、混合流。在冷熱流體進(jìn)出口溫度相同時(shí)，逆流的平均溫差ΔT最大，順流時(shí)ΔT最小，因此為增加傳熱量應(yīng)盡可能采用逆流或接近于逆流的布置。當(dāng)然可以用增加冷熱流體進(jìn)出口溫度的差別來增加ΔT。比如某一設(shè)備采用水冷卻時(shí)傳熱量達(dá)不到要求，則可采用氟里昂來進(jìn)行冷卻，這時(shí)平均溫差ΔT就會(huì)顯著增加。但是在一般的工業(yè)設(shè)備中，冷熱流體的種類和溫度的選擇常常受到生產(chǎn)工藝過程的限制，不能隨意變動(dòng)；而且這里還存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)性的問題，如許多工業(yè)部門經(jīng)常采用飽和水蒸氣作加熱工質(zhì)，當(dāng)壓力為15.8

4、6×105Pa時(shí)，相應(yīng)的飽和溫度為437K，若為了增加ΔT，采用更高溫度的飽和水蒸氣，則其飽和壓力亦相應(yīng)提高，此時(shí)飽和溫度每增高2.5K，相應(yīng)壓力就要上升105Pa。壓力增加后換熱器設(shè)備的壁厚必須增加，從而使設(shè)備龐大，笨重，金屬消耗量大大增加，雖然可采用礦物油，聯(lián)苯等作為加熱工質(zhì)，但選擇的余地并不大。綜上所述，用增加平均溫差ΔT的辦法來增加傳熱只能適用于個(gè)別情況。2.2.擴(kuò)大換熱面積F擴(kuò)大換熱面積是常用的一種增強(qiáng)換熱量的有效方法，如采用小管徑。管徑越小，耐壓越高，而且在金屬重量相同的情況下，表面積也越大。采用各種形狀的肋片管來增加傳熱面積其效果就更佳了。這里應(yīng)特別注意的是肋片（擴(kuò)展表面

5、）要加在換熱系數(shù)小的一側(cè)，否則會(huì)達(dá)不到增強(qiáng)傳熱的效果。一些新型的緊湊式換熱器，如板式和板翅式換熱器，同管殼式換熱器相比，在單位體積內(nèi)可布置的換熱面積多得多。如管殼式換熱器在1m3體積內(nèi)僅能布置換熱面積150m2左右。而在板式換熱器中則可達(dá)1500m2，板翅式換熱器中更可達(dá)5000m2，因此在后兩種換熱器中其傳熱量要大得多。這就是它們在制冷、石油、化工、航天等部門得以廣泛應(yīng)用的原因。當(dāng)然緊湊式的板式結(jié)構(gòu)對高溫、高壓工況就不宜應(yīng)用。對于高溫、高壓工況一般都采用簡單的擴(kuò)展表面，如普通肋片管、銷釘管、鰭片管，雖然它們擴(kuò)展的程度不如板式結(jié)構(gòu)高，但效果仍然是顯著的。采用擴(kuò)展表面后，如果幾何參數(shù)選擇

6、合適還可同時(shí)提高換熱器的傳熱系數(shù)，這樣增強(qiáng)傳熱的效果就更好了。值得注意的是，采用擴(kuò)展面常會(huì)使流動(dòng)阻力增加，金屬消耗增加，因此在應(yīng)用時(shí)應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。2.3.提高傳熱系數(shù)k提高傳熱系數(shù)k是強(qiáng)化傳熱的最重要的的途徑，且在換熱面積和平均溫差給定時(shí)，是增加換熱量的唯一途徑。當(dāng)管壁較薄時(shí)從傳熱學(xué)中我們知道，傳熱系數(shù)k可用下式計(jì)算：（2）式中，α1—熱液體和管壁之間的對流換熱系數(shù)，α2—冷流體和管壁之間的對流換熱系數(shù)，δ—管壁的厚度，λ—管壁的導(dǎo)熱系數(shù)。一般講金屬壁很薄，導(dǎo)熱系數(shù)很大，δ/λ可以忽略。因此傳熱系數(shù)k可以近似寫成：k=α1α2/（α1+α2）。由此可知欲增加k，就必須增加α1和α

7、2，但當(dāng)α1和α2相差較大時(shí)，增加它們之中較小的一個(gè)最有效。要想增加對流換熱系數(shù)，就需根據(jù)對流換熱的特點(diǎn)，采用不同的強(qiáng)化方法。我國學(xué)者過增元院士在研究對流換熱強(qiáng)化時(shí)，提出了著名的場協(xié)同理論。該理論指出要獲得高的對流換熱系數(shù)的主要途徑有：1）提高流體速度場和溫度場的均勻性；2）改變速度矢量和熱流矢量的夾角，使兩矢量的方向盡量一致。換熱管的強(qiáng)化可以對管壁進(jìn)行各種細(xì)微的加工，使管壁上形成有規(guī)律或無規(guī)律分布的凸起物,或?qū)⒐鼙诒旧硌剌S向制成波紋狀或螺旋凹