浅谈强化列管式换热器的传热效率

安徽职业技术学院毕业论文论文题目：————————————————————所属系部：————————————————————专业：————————————————————姓名：————————————————————班级：————————————————————学号：————————————————————指导老师：————————————————————完成日期：————————————————————摘要:研究列管式换热器的强化传热问题对于提高换热器的用能效率和降低工业部门的能耗具有重要意义。近二十多年来，国内外列管式换热器的强化传热技术已获得了较大的发展，其中可分为两大发展方向，一是强化传热管的发展，二是壳程结构的发展。就强化传热管而言，目前国内外已研制开发出的各类强化传热管有数十种之多，例如各类变径异形管及各类翅片管等。壳程结构的发展方面，有在传统弓形板的基础上进行改进的结构形式，如在弓形板之间加一块或多块平行流分隔板等。列管式换热器传热方式是热传导和对流传热同时进行的，本文通过Nusselt准数关系式、Ｒeynolds准数关系式、Prandtle准数关系式等对影响传热系数因素－换热器结构、流体物理性质和污垢热阻等进行分析。以便在设计过程中合理地调整结构的参数使换热器能够获得最佳性能。关键词:列管换热器;传热系数;对流传热;强化传热中图分类号:TQ051.5文献标识码:A文章编号:1001－9677(2013)17－0161－03管壳式换热器也称列管式换热器，是一种以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。管壳式换热器具有结构坚固、适应性强、选材广、易于制造及成本低等优点，在炼油、石油化工、医药、化工以及其他工业中广泛运用，他适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各方面［1］。本文通过对影响传热系数的因素－换热器结构、流体物理性质和污垢热阻等进行分析，以便在设计过程中合理调整结构参数使换热器提高化热性能，在换热器使用过程中合理维护防止换热性能恶化。1·传热系数传热速率方程式［2］:Q=AKΔtm(1)式中:Q———传热速率(冷、热负荷)，WA———传热面积，m2K———总传热系数，W·(m2·℃)－1Δtm———平均温差，℃在传热量Q和冷、热流体温差确Δtm的情况下，设法提高传热系数K可减小传热面积A，即减小换热器的结构尺寸，这一点在工程应用上有重要经济意义。在绝大部分的化工操作中，两个传热流体是不相互混合的，两流体间的传热是通过管壁进行的。热流体向冷流体传递热量需经过三个过程。即热量通过层流底层的传热过程，热量通过间壁传热的过程，以及热量通过冷流体的层流底层的传热过程［1］。在化工操作过程中，随着时间的推移，作为冷、热流体的介质往往会在传热间壁的两边结垢，这种污垢的存在会影响传热。由于污垢的厚度和导热系数难以获得，因此，在工程一般用一个系数(污垢热阻)来计污垢对传热的影响。故传热系数可以用下式计算:2·传热系数的影响因素Nusselt准数关系式:对于一定的传热面和流动情况，当Ｒe和Pr确定后，强制对流式的Nu也就被决定。强制湍流下对流传热系数的准数关系式［2］:2.1列管换热器结构对流传热是流体主体中的对流和层流底层中的热传导的复合现象。任何影响流体流动的因素(引起流动的原因、流动型态和有无相变化等)必然对对流传热系数有影响［2］。Ｒeynolds准数表示惯性力和粘滞力之比，是表征流动状态的准数。2.1.1换热管规格换热管可选择外径规格在Φ14～Φ57mm之间标准管。由于小直径换热管具有单位体积传热面积大，换热器结构紧凑，金属耗量少，传热系数高的特点，在换热器结构设计中，对于管程介质清洁、不易结垢的介质，采用小管径管束能有效增加换热面积。在换热面积相同条件下，采用Φ19mm管束比采用Φ25mm管束提高流体流速约30%，从而增加了湍流程度。2.1.2管子布局标准换热器设计规范中规定了四种排列角度。30°和60°排列紧凑，相同壳径下可获得较大传热面积，具有较高的换热系数，但压降较高，且不利于机械清洗。而45°和90°排列适用于需要机械清洗的场合，且压降较小。从传热效果及压降角度分析90°＞45°＞60°＞30°，其中30°和45°使用较多，采用30°排列可以比45°多排列约17%的换热管［3］。根据换热器设计规范要求，管间距t(mm)不应小于1.25倍管外径，常用的管间距有25mm(Φ19)和32mm(Φ25)。2.1.3管程数为增加换热面积，必须增加换热管数量N，而介质在管束中的流速随着换热管的增加而下降，结果反而是流体的传热系数降低，故增加换热管不一定达到所需换热要求。因此要保持流体在换热管束中较大流速可将管束分成若干程数，使流体依次通过各程换热管，以增加流体流速，提高对流传热系数［4］。换热器常用推荐流速范围见表1。2.1.4壳程内径换热器通常采用多管程结构，壳程内径可根据经验计算:2.1.5折流板为增进对壳程流体的扰动、提高壳程流体的对流传热系数，同时支撑换热管束以防止其挠曲变形，在列管式换热器的壳程通常设置有折流挡板，常见有弓形折流板、矩形折流板和圆盘—圆环形折流板，其中以圆缺形(又称单弓形)的构造最简单、对壳程流体的扰动最剧烈、支撑效果最佳，标准列管换热器中多采用此种。国内换热器设计标准规定折流板间距B(mm)最小为1/5壳程直径，且不小于50mm。建议切割部分高度在0.2～0.45倍壳体内径，通常选择切割率为20%～25%。通过式(8)可以看出减小折流板间距B和壳程内径D可以减小壳程流通截面积So，即在流量一定的条件下提高壳程流速，加强扰动。2.1.6折流杆传统的装有折流板的管壳式换热器存在着影响传热的死区，流体阻力大，且易发生换热管振动与破坏。为了解决传统折流板换热器中换热管的切割破坏和流体诱导振动，并且强化传热提高传热效率，近年来开发了一种新型的管束支承结构—折流杆支承结构。2.2换热管材质及厚度换热管常用材料常用的为碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金等。由于物质导热系数和物质的组成、结构、密度、压力和温度等有关，在工作压力、温度、介质腐蚀性等条件满足的情况下选择导热系数与壁厚比值较大者，即减小壁间传热导热热阻，提高传热系数。2.3流体物理性质导热系数、粘度、比热、密度等对对流传热系数α的值影响也比较大。Prandtle准数表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个参数，反映与传热有关的流体物理性质。2.4污垢热阻污垢热阻表示换热设备传热面上因沉积物而导致传热效率下降程度的数值，即换热面上沉积物所产生的传热阻力，又称污垢系数，指换热器换热表面上积有某种污垢(如水垢、污泥、油污和烟灰等)。污垢热阻的逐步形成，必将导致换热器传热系数的相应减小，促使换热器的传热性能日益恶化。对于容易结垢的介质，尽量提高流体流速，换热器间壁应定期清洗，以防止传热系数K值的明显下降。3·强化传热技术对于管壳式换热器，强化传热［5－6］方法按是否消耗外加功率可分为有源技术(ActiveTechnology)和无源技术(PassiveTechnology)，前者消耗外加能量，后者不消耗能量。后者主要是使传热壁面的温度边界层减薄或调换传热壁面附近的流体。主要有2种实施途径［7－10］:(1)对传热表面的结构、形状适当加以处理与改造;(2)在传热面或传热流路上设置湍流增进器，或在流体中加入添加剂，特别是加入适当的固体颗粒，不仅强化传热，还可以防垢和除垢。4·结论(1)合理设计换热器结构，对实现工艺过程、提高传热效率、节省能源及降低设备投资等方面有重要意义。因此，设计换热器时应反复计算，综合分析，不断调整优化换热器结构，从而进一步提高整体传热效果，以获得满足工艺要求的最优结果。(2)传热系数K总是接近于α小的流体的对流传热系数，且永远小于α的值。因此传热系数K受α小的一侧控制。(3)如传热间壁上的污垢很厚时，污垢热阻会大大降低设备的传热效果。因此容易结垢的介质，换热间壁应定期经常清洗，以防止换热器换热效果恶化。参考文献［1］秦叔经，叶文邦．换热器［M］．北京:化学工业出版社，2002:52－53，62，80－81．［2］谭天恩，麦本熙．化工原理(第二版、上册)［M］．北京:化学工业出版社，1990:202，223－227．［3］刘巍，邓方义．冷换设备工艺计算手册［M］．北京:中石化出版社，2008:2－7．［4］贾绍义，柴诚敬．化工原理课程设计［M］．天津:天津大学出版社，2002:80－81．［5］程立新，陈听宽．沸腾传热强化技术及方法［J］．化工装备技术，1999，20(1):30－33．［6］张正国，王世平．强制对流冷凝传热强化［J］．化学工程，1998(3):18－20．［7］崔海亭，汪云．强化型管壳式热交换器研究进展［J］．化工装备技术，1999，20(4):25－27．［8］邓颂九．提高管壳式换热器传热性能的途径［J］．化学工程，1992，20(2):30－36．［9］郭平生，华贲，韩光泽，等．流体非平衡相变强化传热的场协同分析［J］．广西师范大学学报:自然科学版，2002，20(2):24－27．［10］杨波涛，胡明辅，朱孝钦，等．管壳式换热器新型抗振结构体系及工程设计［J］．石油化工设备，2001，30(1):18－20．参考链接：一)强化传热的途径单位时间内的换热量Q与冷热流体的温差△t及传热面积F成正比，即：Q=k·F·△t．可见强化传热可以通过增加传热面积F、加大传热温差△t，提高传热系数K3个途径来实1．1增加传热面积F增加传热面积不应理解为单一扩大设备体积或台数，而应是采用改变传热表面结构或材料性能合理提高设备单位体积的传热面积．使设备高效、紧凑、轻巧。如采用螺旋螺纹管、翅片管、波纹管、粗糙表面管、异形管等方法都能使传热面积增加。1．2加大传热温差△t在考虑到实际工艺或设备是否允许的情况下，改变冷热流体温度或改变换热流体同的流动方式如逆流、错流等，就可改变传热温差血，但这种方法受生产工艺、设备条件、环境条件及经济性等方面限制，实际操作时有一定局限性。1．3提高传热系数k提高传热系数小的一侧传热面之传热系数．就可使设备总传热系数大幅度提高。当今世界上强化传热研究的重点就是提高传热系数，有一种趋势是改善流体自身流动状态，加强湍流来实现强化传热。管壳式换热器其主要换热元件是管子，因此改变营子截面形状、改变管子表面结构、在管内插入扰流装置或在流体中掺八颗粒等都能改善流体自身流动状态从而达到强化传热目的[2]。（二）强化传热技术换热器的强化传热就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量达到最多[3]．强化传热技术的应用主要表征在设备尺寸缩小，投资省．可减少操作费用，获得较显著的经济效益应用强化传热技术可以用结构相对紧凑的换热设备来传递规定的热量，还可以达到以往传统换热器达不到的加热或冷却效果在设备改造过程中．开发新型换热器，常常受到原设备所处工况的限制，所以．对传统的管壳式换热器采用强化传热措施是非常有效的传热强化途径目前，常用螺纹管、波纹管、螺旋槽纹管、横纹管、缩放管、管内插入物等来代替光管以达到强化传热的目的[4]．（三）强化型管壳式换热器的发展现状强化型管壳式换热器主要是从管程和壳程两大方面进行传热强化的．3.1管程强化传热通常可对换热管进行加工得到各种结构不同的异形管，通过这些异形管进行传热强化．