管壳式换热器的强化传热技术.docx

1-1摘要1换热器強化传热技术的概述 1-12强化传热的原理 2-22.1增加冷热液体的平均温差AT 2-22.2扩大换热面积F 2-32.3提高传热系数k 2-33换热管的强化传热措施 3-43」波纹管传热技术 3-43.2螺纹管传热技术 3-43.3螺旋槽纹管传热技术 3-53.4横槽纹管传热技术 3-53.5翅片管传热技术 3-54结束语 4-6参考文献 4-6摘要木文主要介绍了管壳式换热器换热管强化传热技术，分析了各自的原理、优 缺点及推荐的使用场合采用节能技术的换热器不仅提高了能源的利用率，而且 减少了金属材料的消耗，对化工行业提高经济效益具有重要意义1换热器强化传热技术的概述近20年来，石油、化工等过程工业得到了迅猛发展各工业部门都在大力 发展大容量、高节能设备，因此要求提供尺寸小、重量轻、换热能力大的换热设 备特别是始于20世纪60年代的世界能源危机，加速了当代先进换热技术和 节能技术的发展强化传热已发展成为第二代传热技术，并已成为现代热科学中 一个十分引人注目的、蓬勃发展的研究领域换热器作为一种实现物料之间热量 传递的节能设备，在化工、石油、石油化工、冶金、轻工、食品等行业中就得到 了普遍应用。

换热设备传热过程的强化主要是使换热设备能在单位时间内、单位面积上传 递的热量达到最大化从而实现下述0的：1) 减小设计传热面积，以减小换热器的体积和质量2) 提高现有换热器的换热能力3) 使换热器能在较低温差下工作4) 减小换热器的阻力，以减少换热器的动力消耗2强化传热的原理从传热学中我们知道换热器中的传热量可用下式计算，即Q=kFAT (1)式中：k•传热系数[W/(m2-K)]F ■传热面积[m?]△T・冷热液体的平均温差[K]从上式可以看出，欲增加传热量Q,可用增加k、F或AT来实现下面我 们对此分别加以讨论2.1增加冷热液体的平均温差AT在换热器中冷热液体的流动方式有四种，即顺流、逆流、交叉流、混合流 在冷热流体进岀口温度相同时，逆流的平均温差AT最大，顺流时AT最小，因 此为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的布置当然可以用增加冷热流体进岀口温度的差别来增加比如某一设备采用 水冷却时传热量达不到要求，则可采用氟里昂来进行冷却，这时平均温差AT就 会显著增加但是在一般的工业设备中，冷热流体的种类和温度的选择常常受到 生产工艺过程的限制，不能随意变动；而且这里还存在一个经济性的问题，如许 多工业部门经常采用饱和水蒸气作加热工质，当压力为15.86xlO5Pa时，相应的 饱和温度为437K,若为了增加AT,采用更高温度的饱和水蒸气，则其饱和压力 亦相应提高，此时饱和温度每增高2.5K,相应压力就要上升lO^Pao压力增加后 换热器设备的壁厚必须增加，从而使设备庞大，笨重，金属消耗量大大增加，虽 然可采用矿物油，联苯等作为加热工质，但选择的余地并不大。

综上所述，用增加平均温差AT的办法来增加传热只能适用于个别情况2.2扩大换热面积F扩大换热面积是常用的一种增强换热量的有效方法，如采用小管径管径越 小，耐压越高，而且在金屈重量相同的情况下，表面积也越大采用各种形状的 肋片管来增加传热面积其效果就更佳了这里应特别注意的是肋片(扩展表面)要 加在换热系数小的一侧，否则会达不到增强传热的效果一些新型的紧凑式换热器，如板式和板翅式换热器，同管壳式换热器相比， 在单位体积内可布置的换热面积多得多如管壳式换热器在1ms体积内仅能布 置换热面积150^2左右而在板式换热器中则可达1500 m2,板翅式换热器中更 可达5000 m2,因此在后两种换热器中其传热量要大得多这就是它们在制冷、 石油、化工、航天等部门得以广泛应用的原因当然紧凑式的板式结构对高温、 高压工况就不宜应用对于高温、高压工况一般都采用简单的扩展表面，如普通肋片管、销钉管、 鳍片管，虽然它们扩展的程度不如板式结构高，但效果仍然是显著的采用扩展表面后，如果几何参数选择合适还可同时提高换热器的传热系数， 这样增强传热的效果就更好了值得注意的是，采用扩展面常会使流动阻力增加, 金属消耗增加，因此在应用时应进行技术经济比较。

2.3提高传热系数k提高传热系数k是强化传热的最重要的的途径，且在换热面积和平均温差给 定时，是增加换热量的唯一途径当管壁较薄吋从传热学中我们知道，传热系数 k可用下式计算：_+ +_A式中，如一热液体和管壁Z间的对流换热系数，血一冷流体和管壁Z间的对流换 热系数，6—管壁的厚度，九一管壁的导热系数一般讲金属壁很薄，导热系数很大，6/入可以忽略因此传热系数k可以近 似写成：k=aia2/(ai+a2)o由此可知欲增加k,就必须增加g和畑但当g和cl2 相差较大时，增加它们之中较小的一个最有效要想增加对流换热系数，就需根据对流换热的特点，采用不同的强化方法 我国学者过增元院士在研究对流换热强化吋，提出了著名的场协同理论该理论 指出要获得高的对流换热系数的主要途径有：1）提高流体速度场和温度场的均匀 性；2）改变速度矢量和热流矢量的夹角，使两矢量的方向尽量一致换热管的强化可以对管壁进行各种细微的加工，使管壁上形成有规律或无规 律分布的凸起物，或将管壁木身沿轴向制成波纹状或螺旋凹肋，从而增大通道 近壁处边界层内流体的脉动和紊流热扩散率、增强流体的混合、减薄边界层尤其 是粘性底层的厚度3换热管的强化传热措施目前，管壳式换热器的强化传热主要采用管程强化传热和管壳式传化强热技 术两种手段，本文主要讨论管壳强化传热技术。

然而，换热管的强化传热是管壳 式传热强化技术中重要的一种技术手段，它是对光管进行加工得到各种结构的异 形管，措施主要有改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状 的插入物改变传热面的形状有多种，其中用于强化管程传热的有：波纹管、螺 纹管、螺旋槽管、横槽纹管、翅片管、针翅管、多孔表管等另外，也可采用 扰流元件，在管内装入麻花铁，螺旋圈或金属丝片等填加物，亦可增强湍动，且 有破坏层流底层的作用3.1波纹管传热技术波纹管是以普通光滑换热管为基管，采用无切削滚扎工艺使管内外表面金属 塑性变形而成，双侧带有波纹的管型波纹管管内被挤出凸肋，从而改变了管内壁滞流层的流动状态使流体在波峰 处流速低，静压增大，波谷处则反之，以致流体产生了剧烈的漩涡，减薄了边界 层，使得流体的流动特性不如光管的好，从而增强了传热效果波纹管适用于要 有对流、冷凝强化效果的工况它可以使总传热系数提高2〜3倍其中波形分 类有：波谷形（如图2所示）、波节形、梯形、缩放形等3.2螺纹管传热技术螺纹管（图3）是使光管由以扩展表面强化传热的螺纹管所代替螺纹管又称 低肋管，主耍是靠关外肋化扩大传热，它比光管外表面积增加2. 5倍以上。

一般 用于管内传热系数比管外传热系数大1倍以上的场合，以及无相变传热，重油系 统传热它能使总传热系数提高2〜4倍3.3螺旋槽纹管传热技术螺旋槽纹管管壁是由光管挤压而成管外表面压出螺旋形的凹槽，管内则形 成螺旋形的凸起，使流体产生周期性的扰动，可以加快由壁面至流体主体的热 量传递其管内传热强化主要：一是螺旋槽近壁处流动的限制作用，使管内流体 做整体螺旋运动来产生局部二次流动；二是螺旋槽所导致的形体阻力，产生逆向 压力梯度使边界层分离螺旋槽纹管具有双面强化传热的作用，适用于对流、沸 腾和冷凝等工况，抗污垢性能高于光管，传热性能较光管提高2〜4倍其横截 面图见图43.4横槽纹管传热技术横槽纹管（见图5）与单头螺旋横纹管相比，在相同流速下，流体阻力要大些, 传热性能好些横纹管的强化机理为：当管内流体流经横向环肋时，管壁附近形 成轴向游涡，增加了边界层的扰动，使边界层分离，有利于热量的传递当游涡 将要消失时流体又经过下一个横向环肋，因此不断产生涡流，保持了稳定的强化 作用横槽纹管同样适用于对流、沸腾和冷凝等工况，抗污垢性能高于光管，传 热性能较光管提高85%O3.5翅片管传热技术翅片管是普通换热管经轧制在其外表面形成翅片的一种高效换热管型，，如 图6所示，其强化作用是在管外。

翅片置于给热系数小的一侧，可在管外、管内 装在管外的翅片有轴向的，螺旋形的，也可在翅片上开孔或每隔一段距离断开或 扭曲，增强流体的湍动翅片管适用于低表面张力介质及空气冷凝高黏度流体，管外冷凝，造价昂贵 的工况其总传热系数提高25%,冷凝膜系数提高5〜18倍综上所述，不同强化传热技术在工作原理、使用工况以及各自的结构特点都 有所不同，在实际工程生产当中，我们应该根据不同的生产条件和经济效益选择 不同的强化传热技术下面将以上技术进行对比，见下表表一：不同强化传热技术之间的比较种 类适用工况强化效果（与光管相 比）结 构 特 点螺旋槽纹管对流沸腾冷 凝传热性能提高2~ 4 倍管壁被挤压成螺旋槽状，有单头和多 头两种形式横纹管对流冷凝总传热系数提高8,%在管壁上滚轧出与管于轴线成90的 横纹，在管壁内形成一圈圈突出的圆 环缩放管Re较高的对流传热量增加70%由依次交替的收缩段和扩张段组成 的波形管道内波纹外螺纹对流冷凝总传热系数提高119 倍结构与螺旋槽管相似，具有双面强化 作用波纹管对流冷凝总传热系数提高2 ~3倍将光滑管加工成波纹形旋流管对流管内传热膜系数提高315倍管的内外壁面上有非圆弧形断面螺 旋槽纹，同时强化管内外侧4结束语强化传热对越来越多的行业节能有着重要的意义。

强化换热管提高了换热器 的传热性能，并减小了换热器所需的传热温差和压降损失，巨大的经济效益目 前强化换热管已广泛应用于各行业中强化传热要全面考虑，不能顾此失彼，在 采取具体的强化措施时，应对设备结构、制造费用、动力消耗、检修操作等方面 权衡考虑，以求得经济合理的方案参考文献5） 崔海亭彭培英主编《强化传热新技术及其应用》化学工业出版社6） 郑津洋董其武桑芝富主编 《过程设备设计》 化学工业出版社7） 黄素逸《强化传热技术进展》华中科技大学能源与动力工程学院8） 郭强潘《强化传热技术及其高效节能设备》华东理工大学化工机械研 究所9） 聂清徳•化工设备设计化学工业出版社，1996.10） 帅志明，冯海仙，李学泰•螺旋槽管结垢实验研究•中国电机工程学报，1993.11） 张亚君，李军，等•几种强化传热管的流阻和传热性能•石油化工设备，2004.12） 扬丽明，钱颂文•针翅管强化传热实验研究•流体机械，2002.13） 姜培正•流体机械•化学工业出版社，1997.。