管殼式換熱器的強化傳熱技術(shù)

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1、1-1摘要1換熱器強化傳熱技術(shù)的概述1-12強化傳熱的原理2-22.1增加冷熱液體的平均溫差A(yù)T2-22.2擴大換熱面積F2-32.3提高傳熱系數(shù)k2-33換熱管的強化傳熱措施3-43」波紋管傳熱技術(shù)3-43.2螺紋管傳熱技術(shù)3-43.3螺旋槽紋管傳熱技術(shù)3-53.4橫槽紋管傳熱技術(shù)3-53.5翅片管傳熱技術(shù)3-54結(jié)束語4-6參考文獻4-6摘要木文主要介紹了管殼式換熱器換熱管強化傳熱技術(shù)，分析了各自的原理、優(yōu)缺點及推薦的使用場合。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)濟效益具有重要意義。1換熱器強化傳熱技術(shù)的概述近20

2、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。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。換熱器作為一種實現(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)備傳熱過程的強化主要是使換熱設(shè)備能在單位時間內(nèi)、單位面積上傳遞的熱量達到最大化從而實現(xiàn)下述0的：1)減小設(shè)計傳熱面積，以減小換熱器的體積和質(zhì)量2)

3、提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力3)使換熱器能在較低溫差下工作4)減小換熱器的阻力，以減少換熱器的動力消耗2強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算，即Q=kFAT(1)式中：k?傳熱系數(shù)[W/(m2-K)]F■傳熱面積[m?]△T?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或AT來實現(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A(yù)T在換熱器中冷熱液體的流動方式有四種，即順流、逆流、交叉流、混合流。在冷熱流體進岀口溫度相同時，逆流的平均溫差A(yù)T最大，順流時AT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。

4、當(dāng)然可以用增加冷熱流體進岀口溫度的差別來增加比如某一設(shè)備采用水冷卻時傳熱量達不到要求，則可采用氟里昂來進行冷卻，這時平均溫差A(yù)T就會顯著增加。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；而且這里還存在一個經(jīng)濟性的問題，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15.86xlO5Pa時，相應(yīng)的飽和溫度為437K,若為了增加AT,采用更高溫度的飽和水蒸氣，則其飽和壓力亦相應(yīng)提高，此時飽和溫度每增高2.5K,相應(yīng)壓力就要上升lO^Pao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

5、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A(yù)T的辦法來增加傳熱只能適用于個別情況。2.2擴大換熱面積F擴大換熱面積是常用的一種增強換熱量的有效方法，如采用小管徑。管徑越小，耐壓越高，而且在金屈重量相同的情況下，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(擴展表面)要加在換熱系數(shù)小的一側(cè)，否則會達不到增強傳熱的效果。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1ms體積內(nèi)僅能布置換熱面積150^2左右。而在板式換熱器中

6、則可達1500m2,板翅式換熱器中更可達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展表面，如普通肋片管、銷釘管、鰭片管，雖然它們擴展的程度不如板式結(jié)構(gòu)高，但效果仍然是顯著的。采用擴展表面后，如果幾何參數(shù)選擇合適還可同時提高換熱器的傳熱系數(shù)，這樣增強傳熱的效果就更好了。值得注意的是，采用擴展面常會使流動阻力增加,金屬消耗增加，因此在應(yīng)用時應(yīng)進行技術(shù)經(jīng)濟比較。2.3提高傳熱系數(shù)k提高傳熱系數(shù)k是強化傳熱的最重要的的途徑，

7、且在換熱面積和平均溫差給定時，是增加換熱量的唯一途徑。當(dāng)管壁較薄吋從傳熱學(xué)中我們知道，傳熱系數(shù)k可用下式計算：_++_A式屮，如一熱液體和管壁Z間的對流換熱系數(shù)，血一冷流體和管壁Z間的對流換熱系數(shù)，6—管壁的厚度，九一管壁的導(dǎo)熱系數(shù)。一般講金屬壁很薄，導(dǎo)熱系數(shù)很大，6/入可以忽略。因此傳熱系數(shù)k可以近似寫成：k=aia2/(ai+a2)o由此可知欲增加k,就必須增加g和畑但當(dāng)g和cl2相差較大時，增加它們之中較小的一個最有效。要想增加對流換熱系數(shù)，就需根據(jù)對流換熱的特點，采用不同的強化方法。我國學(xué)者過增元院士在研究對流換熱強化吋，提出了著名的場協(xié)同理