3传热强化技术

1《高效换热技术》华南理工大学华南理工大学化工机械与化工机械与安安全工程研究所全工程研究所江江楠楠[e-mail]@scut.edu.cnTEL:87110415/13622282789TEL:[phone]主要内容1概述2管壳式换热器3传热强化技术3.13.1传热强化概述传热强化概述3.23.2扩展表面及内插件强化传热扩展表面及内插件强化传热3.33.3壳程强化传热壳程强化传热33.13.1传热强化概述传热强化概述换热设备稳定传热时的传热方程式：mtKFQΔ=K——传热系数，w/m2℃；F——换热面积，m2；——热流体与冷流体的平均传热温差，℃表征传热过程强弱程度传热强化渠道增加平均传热温差增加平均传热温差扩大换热面积扩大换热面积提高传热系数提高传热系数mtΔ43.1传热强化概述增大平均传热温差平均传热温差是传热过程的推动力，由冷、热流体最大无相变温差决定，但一般生产工艺中已经确定。1.当冷流体和热流体进出口温度一定时，利用不同的换热面布置来改变平均传热温差；——逆流；多股流动换热。2.扩大冷、热流体进出口温度的差别以增大平均传热温差。此法受生产工艺限制，不能随意变动，只能在有限范围内采用。mtΔ53.1传热强化概述增大换热面积1.采用小直径换热管；——在同样金属重量下总表面积增大2.改进传热面结构，设法提高单位容积内设备的传热面积，即扩展表面换热面，既增加换热面积，又提高传热系数。问题：流动阻力增大63.1传热强化概述提高传热系数1.主动强化——需要采用外加的动力（如机械力、电磁力等）来增强传热的技术。如：搅拌换热介质、使换热表面或流体振动、将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合等技术2.被动强化——指除了输送传热介质的功率消耗外不需要附加动力来增强传热的技术。主要包括：涂层表面、粗糙表面、扩展表面、扰动元件、涡流发生器、射流冲击、螺旋管以及添加物等手段。当前研究传热强化的重点提高传热系数的方法主动强化（有源强化）被动强化（无源强化）7在管壳式换热器中，采用最多的被动强化传热方法是扩展表面及管内放置强化传热元件，它既能提高传热系数，又能增加传热面积。2211111alda++++=RRK式中：K－－总传热系数；α1、α2－－传热面两侧的对流给热系数；R1、R2－－两侧污垢热阻；δ－－管壁的厚度；λ－－管材的热导率。83.2扩展表面及内插件强化传热扩展表面及管内放置强化传热元件：既能增加传热面积，又能提高传热系数扩展表面强化传热主要包括槽管翅片管（1）扩展表面强化传热93.2扩展表面及内插件强化传热（2）槽管——提高传热系数壁面扰流结构的换热管在圆管及圆形通道内形成扰流结构改变了流体的流动结构，增加近壁区的湍流度提高流体和壁面的对流传热膜系数10螺旋槽管横纹槽管图31槽管结构a.碾轧槽管——特别适用于换热器中用于强化管内单相流体的传热以及增强管外流体蒸汽冷凝和液体膜态沸腾传热的作用3.2扩展表面及内插件强化传热b.螺旋槽管c.横纹槽管11螺旋槽管螺旋槽管横纹槽管缩放管123.2扩展表面及内插件强化传热（3）翅片——提高传热面积、提高传热系数a.内翅片圆管b.外翅片圆管c.板式翅片d.槽带板式翅片e.穿孔翅片翅片不适合用于高表面张力的液体冷凝和会产生严重结垢的场合，尤其不适用于需要机械清洗、携带大量颗粒流体的流动场合。133.2扩展表面及内插件强化传热外翅片圆管——影响翅化表面传热的主要因素是翅片高度、翅片厚度、翅片间距以及翅片材料的导热系数图32外翅片圆管扇形翅片圆形翅片锯齿翅片螺旋翅片螺旋翅片圆形翅片锯齿翅片扇形翅片14锯齿形肋片管示意图153.2扩展表面及内插件强化传热板式翅片——板式翅片上各局部位置的换热强弱存在着很大差异，板式翅片传热受到雷诺数、管排数、翅片间距和管间距的影响。图33板式翅片结构163.2扩展表面及内插件强化传热槽带板式翅片——槽带板式翅片已广泛应用在空调工业,以及干式冷却塔的空气冷却器中。图34槽带板式翅片173.2扩展表面及内插件强化传热穿孔翅片——增加对流传热膜系数而流动阻力增加不大。图35穿孔翅片结构换热管穿孔翅穿孔翅换热管183.2扩展表面及内插件强化传热（4）其他形状换热管缩放管螺纹管波纹管19几种表面粗糙换热管（a）（b）（c）（a）缩放管；（b）螺纹管；（c）波形管20（5）内插件强化传热•在换热管内加入某种形式的内插强化元件是管式换热器强化管程单相流体传热的有效措施之一，尤其是强化气体、低雷诺数或高黏度流体传热更为有效。•不改变传热面形状，通过改变换热管内流体流动来强化传热，提高传热效率，简便有效，也有利于传热面积的扩大，且易于对旧设备进行改造，应用广泛。•目前管内插入物种类较多，主要是利用各种金属的条、带、片和丝等绕制或扭曲成螺旋形（如螺旋线、扭带、错开扭带、螺旋片和静态混合器等），或冲成带有缺口的插入带。•各种插入物强化传热的机理是，利用插入物使流体产生径向流动，从而加强流体的混合，获得较高的对流传热系数。在设计过程中应考虑加入内插件后的压降增大影响。21插有螺旋线圈的管子插有静态混合器的管子22相变对流放热强化相变对流放热强化－－可分为－－可分为沸腾放热沸腾放热强强化和化和冷凝放热冷凝放热强化强化多孔表面管是强化沸腾放热的换热元件之一，也是近代强化传热技术中取得的较大成果。它是在金属管壁表面（内表面或外表面）用各种表面特殊处理法，在表面形成一层多孔金属薄层，能显著强化沸腾放热。试验表明，多孔表面一般可提高沸腾放热系数5～20倍，有的甚至可提高50倍左右。23多孔表面主要有烧结法、喷涂法、机械加工法多孔表面主要有烧结法、喷涂法、机械加工法和电镀法四种制造工艺。和电镀法四种制造工艺。多孔表面能显著强化沸腾放热，主要原因是在多孔表面层有大量相互串通的微小空穴，提供了众多的汽化核心。进入空穴的液体在很小的过热度下，产生大量蒸汽泡。气泡迅速长大，穿透表面，最后破裂。泡核滞留在空穴中，成为下一个气泡核心。液体借助于表面张力作用，不断进入空穴补充汽化的液体，并在空穴中受热蒸发，这样蒸汽泡的膨胀－收缩，起了泵的持续循环作用，对沸腾放热起来强烈扰动作用，构成多孔表面强化沸腾放热的全过程。多孔表面层沸腾过程示意图243.3壳程强化传热目前，换热设备壳程强化传热的途径主要有：改变管子外形或在管外加翅片，即通过管子形状或表面性质的改变来达到强化传热目的，如采用螺纹管、外翅片管等；改变壳程挡板或管束支承结构，使壳程流体流动形态发生变化，以减少或消除壳程流动与传热的滞留死区，使换热面积得到充分利用。25263.3壳程强化传热（1）改变壳程挡板结构传统的单弓形折流板支承局限——壳程流体易产生流动死区，换热面积无法充分利用，因而壳程传热系数低、易结垢、流体阻力大。且当流体横向流过管束时，还可能引起管束流体诱导振动。新型——多弓形折流板、整圆形板、异形孔板、网状整圆形板等。它们的特点是尽可能将原折流板的流体横向流动变为平行于换热管的纵向流动，以消除壳程流体流动与传热的死区，达到强化传热的目的。273.3壳程强化传热图37网状整圆形折流板283.3壳程强化传热（2）改变管束支承结构将管壳式换热器中的折流板改成杆式支承结构，具有许多优点（2）由于壳程介质为轴向流动，没有弓形折流板那么多转向和缺口处的节流效应，因而流动阻力比较小，一般为传统弓形折流板的50%以下，达到了节能的效果。（1）使换热器壳程流体的流动方向主要呈轴向流动，消除了弓形折流板造成的传热死区。a.杆式支承结构293.3壳程强化传热（4）消除了弓形折流板造成的局部腐蚀和磨损（或切割）破坏，改善了换热管的支撑情况和介质的流动状态，消除或减少了因换热管的振动而引起管子的破坏，延长了换热器的使用寿命。（3）结垢速率变慢，延长了操作周期。30123折流杆结构（1）支撑杆（2）折流杆（3）滑轨折流杆换热器折流杆换热器313.3壳程强化传热由于折流杆换热器壳程流体为纵向流动，因此折流杆换热器适合在高雷诺数（或高流速）下运行；在中低雷诺数下运行强化传热效果不显著，或者无效，甚至比折流板换热器更差，此时可进一步改进换热器结构，例如采用多壳程的折流杆换热器。323.3壳程强化传热b.自支承结构——自支撑结构通过采用自支承管，如刺孔膜片管、螺旋扁管和变截面管来简化管束约束，提高换热器的紧凑度。图38自支承管及其自支承结构333.3壳程强化传热c.螺旋折流式支承结构——螺旋折流板是圆截面的折流板互相形成一种特殊的螺旋形结构，每个折流板与壳程流体的流动方向成一定角度，使得壳程流体沿着折流板做螺旋运动。图39螺旋折流式支承34螺旋折流板换热器结构示意图35螺旋折流板换热器管束36••各种工作对于强化传热的要求和目的是不一样各种工作对于强化传热的要求和目的是不一样的，可归纳为以下几个方面：的，可归纳为以下几个方面：••提高换热器紧凑性，以减小换热器的尺寸和重量。提高换热器紧凑性，以减小换热器的尺寸和重量。••提高原有设备的换热能力。提高原有设备的换热能力。••减小换热器的换热温差。减小换热器的换热温差。••减小换热器的阻力，以减少动力消耗。减小换热器的阻力，以减少动力消耗。••上述目的和要求往往是相互制约的，要同时达到上述目的和要求往往是相互制约的，要同时达到这些目的是不可能的。因此，只有通过选择比这些目的是不可能的。因此，只有通过选择比较，才能确定一种适用的强化传热技术。较，才能确定一种适用的强化传热技术。37热热管管••热管是一个由沸腾过程和冷凝过程有热管是一个由沸腾过程和冷凝过程有机地组合在一起的高效传热系统，具机地组合在一起的高效传热系统，具有极高传热能力，其本身是一种高效有极高传热能力，其本身是一种高效强化传热措施。左图为重力热管的原强化传热措施。左图为重力热管的原理示意图。向管内加入少量工作液理示意图。向管内加入少量工作液体，抽真空密封。将管子垂直放置，体，抽真空密封。将管子垂直放置，加热管子下端使液体汽化，蒸汽上加热管子下端使液体汽化，蒸汽上升，在上方冷端向外界放出汽化潜热升，在上方冷端向外界放出汽化潜热并凝结，凝液在重力作用下回到管子并凝结，凝液在重力作用下回到管子下发。由于工作液体汽化潜热较大，下发。由于工作液体汽化潜热较大，所以在极小温差下，就能将大量热量所以在极小温差下，就能将大量热量由管子热端传至冷端，如此往复，可由管子热端传至冷端，如此往复，可进行高效热量传递。进行高效热量传递。重力热管工作原理图383940