换热器的强化传热

换热器的强化传热摘要：所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积（F）；加大传热温差；提高传热系数（K）提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高技能换热设备[1]。这可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。换热器的开发与研究成为人关注的课题。大量的强化传热技术应用于工业装置，我国换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐崛起。与此同时，近几年,我国在大型管壳式换热器、大直径螺纹锁紧环高压换热器、高效节能板壳式换热器、大型板式空气预热器方面也获得了重大突破[3]。国外在换热器的强化传热研究、强化传热元件开发、新型壳程结构设计中也有了突破性的进展[4]关键词:换热器;节能减排;强化传热；结构；优化；优化设计1换热器强化传热的方式1.1扩展传热面积F扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。在扩展换热器传热面积的过程中，如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热量，不光需要增加设备投资，设备占地面积大、同时，对传热效果的增强作用也不明显，这种方法现在已经淘汰。现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备高效、紧凑的目的。1.2加大传热温差Δt加大换热器传热温差Δt是加强换热器换热效果常用的措施之一。在换热器使用过程中，提高辐射采暖板管内蒸汽的压力，提高热水采暖的热水温度，冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水，空气冷却器中降低冷却水的温度等，都可以直接增加换热器传热温差Δt。但是，增加换热器传热温差Δt是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段，使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。例如，我们在提高辐射采暖板的蒸汽温度过程中，不能超过辐射采暖允许的辐射强度，辐射采暖板蒸汽温度的增加实际上是一种受限制的增加，依靠增加换热器传热温差Δt只能有限度的提高换热器换热效果；同时，我们应该认识到，传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。所以，不能一味追求传热温差的增加，而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。1.3增强传热系数（K）增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。换热器传热系数（K）的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定，换热器传热过程中的总热阻越大，换热器传热系数（K）值也就越低；换热器传热系数（K）值越低，换热器传热效果也就越差。换热器在使用过程中，其总热阻是各项分热阻的叠加，所以要改变传热系数就必须分析传热过程的每一项分热阻。如何控制换热器传热过程的每一项分热阻是决定换热器传热系数的关键。上述三方面增强传热效果的方法在换热器都或多或少的获得了使用，但是由于扩展传热面积及加大传热温差常常受到场地、设备、资金、效果的限制，不可能无限制的增强，所以，当前换热器强化传热的研究主要方向就是：如何通过控制换热器传热系数（K）值来提高换热器强化传热的效果。我们现在使用最多的提高换热器传热系数（K）值的技术就是：在换热器换热管中加扰流子添加物，通过扰流子添加物的作用，使换热器传热过程的分热阻大大的降低，并且最终来达到提高换热器传热系数（K）值的目的。总传热系数K的计算公式为:(1/K)=d2/(α1d1)+R1(d2/d1)+(δ/λ)(d2/dm)+R2+α2式中:d1—管内径;d2—管外径;dm—管平均直径;α1—管内侧对流传热系数;α2—管外侧对流传热系数;R1—管内侧污垢热阻;R2—管外侧污垢热阻;λ—管壁材料的导热系数;δ—管壁厚度。从上式中可知:要提高传热系数,必须设法提高α1和α2及λ,降低δ和内外污垢热阻R1和R2。当两个α值相差较大时,要想K值提高,应设法使α值小的增大;当两个α值比较接近时,则应同时予以提高。根据对流传热的分析,对流传热的热阻主要集中在靠近管壁的层流内层里,在层流内层里的传热以传导方式进行,而流体导热系数又很小。针对这些情况,可以相应采取一些措施:(1)增加湍流程度,以减小层流内层的厚度,具体的方法是:○1增加流体的流速。例如,在列管换热器内可以采用多管程;在夹套式换热器内增加搅拌等,都可以增加流体的速度。但是,随着流体流速的增加,流体阻力也跟着增加。因此,流速的增加也是有一定局限性的。○2改变流动条件。如果使流体在流动过程中不断改变流动方向,可以使流体在较低的流速下就达到湍流.例如,在列管换热器的壳常可增设圆缺形或环形挡板,以提高管外的对流传热系数;板式换热器中,流体在波形的板面间流动,当Re=200即进入湍流状态。(2)采用导热系数较大的载体选用K较大的载热体可减少层流内层的热阻,增大流体的对流传热系数.目前原子能工业中采用液态金属作为载热体,其导热系数比水的大十几倍,大大加快了传热速率。(3)采用有相变的载热体用饱和水蒸汽作加热剂比用热水作加热剂的传热效果就要好的多。(4)采用导热系数大的传热壁面(5)减小污垢热阻污垢的存在将会使传热系数大大降低。实践证明,1mm厚的水垢约相当于40mm厚钢板的热阻。当换热器使用时间一长,垢层热阻将成为影响传热速率的重要因素,因此,防止结垢和及时除垢,也成为强化传热的一个重要方法。例如,增加流速可减弱垢层的形成和增厚;易结垢的流体常安排在管方流动,以便于清洗,采用机械或化学的方法或采用可拆卸换热器的结构,以便于垢层的清除。显然,强化传热的途径和和方法是多方面的,凡是可以利用的因素都应当尽可能的加以利用和发挥。但是,任何事物都是一分为二的,某些措施和结构虽然有强化传热的作用,但也可能出现另一方面的问题,例如,采用高压蒸汽可提高传热平均温度差,但从经济角度和节能考虑,则应尽量避免采用;一些新型换热器从强化传热角度来看是先进的,但也会出现结构复杂、价格较贵、检查不便等的缺点。因此,对于某些实际的传热过程,应作具体分析,即抓住影响强化传热矛盾的主要方面;并结合设备结构、动力消耗、检修操作等予以全面考虑,采取经济而合理的强化传热的方法。2强化传热技术的分类强化传热技术分为被动式强化技术(亦称为无功技术或无源强化技术)和主动式强化技术(亦称为有功技术或有源强化技术)。前者是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术;后者是指需要加入额外动力以达到强化传热目的的技术。2.1被动式强化传热技术2.1.1处理表面包括对表面粗糙度的小尺度改变和对表面进行连续或不连续的涂层。可通过烧结、机械加工和电化学腐蚀等方法将传热表面处理成多孔表面或锯齿形表面,如开槽、模压、碾压、轧制、滚花、疏水涂层和多孔涂层等。此种处理表面的粗糙度达不到影响单相流体传热的高度,通常用于强化沸腾传热和冷凝传热。2.1.2粗糙表面该方法已发展出很多构形,包括从随机的沙粒型粗糙表面到带有离散的凸起物(粗糙元)的粗糙表面。通常,可通过机械加工、碾轧和电化学腐蚀等方法制作粗糙表面。粗糙表面主要是通过促进近壁区流体的湍流强度、阻隔边界层连续发展减小层流底层的厚度来降低热阻,而不是靠增大传热面积来达到强化传热的目的,主要用于强化单相流体的传热,对沸腾和冷凝过程有一定的强化作用。基于粗糙表面技术开发出的多种异形强化传热管在工业生产中的应用颇为广泛,包括有:螺旋槽管、旋流管、缩放管、波纹管、针翅管、横纹槽管、强化冷凝传热的锯齿形翅片管和花瓣形翅片管、强化沸腾传热的高效沸腾传热管以及螺旋扭曲管等。2.1.3扩展表面该方法已在很多换热器中得到了常规应用。如翅片管等非传统的扩展表面的发展使传热系数有了很大的提高。其强化传热的机理主要是此类扩展表面重塑了原始的传热表面,不仅增加了传热面积,而且打断了其边界层的连续发展,提高了扰动程度,增加了传热系数,从而能够强化传热,对层流换热和湍流换热都有显著的效果。因此,扩展表面法得到越来越广泛的应用,不仅用于传统的管壳式换热器管子结构的改进,而且也越来越多的应用于紧凑式换热器。目前已开发出了各种不同形式的扩展表面,如管外翅片和管内翅片(包括很多种结构形状,如平直翅片、齿轮形翅片、椭圆形翅片和波纹形翅片等)、叉列短肋、波型翅多孔型、销钉型、低翅片管、太阳棒管、百叶窗翅及开孔百叶窗翅(多在紧凑式换热器中使用)等。2.1.4扰流装置把扰流装置放置在流道内能改变近壁区的流体流动,从而间接增强传热表面处的能量传输,主要用于强制对流。管内插入物中有很多都属于这种扰流装置,如金属栅网、静态混合器及各式的环、盘或球等元件。2.1.5漩涡流装置包括很多不同的几何布置或管内插入物,如内置漩涡发生器、纽带插入物和带有螺旋形线圈的轴向芯体插入物。此类装置能增加流道长度并能产生旋转流动或(和)二次流,从而能增强流体的径向混合,促进流体速度分布和温度分布的均匀性,进而能够强化传热,主要用于增强强制对流传热,对层流换热的强化效果尤其显著。2.1.6螺旋盘管其应用可提高换热器的紧凑度。它所产生的二次流能提高单相流体传热的传热系数,也能增强沸腾传热。2.1.7表面张力装置包括利用相对较厚的芯吸材料或开槽表面来引导流体的流动,主要用于沸腾和冷凝传热。芯吸作用常用在没有芯吸材料冷却介质就不能到达受热表面的情形,常见的如热管换热器;还对水中表面的沸腾换热强化非常有效。2.1.8添加物包括用于液体体系的添加剂和用于气体体系的添加剂。液体中的添加剂包括用于单相流的固体粒子与气泡和用于沸腾系统的微量液体;气体中的添加剂包括液滴和固体粒子,可用于稀相(气固悬浮液)或密相(流化床)。2.1.9壳程强化壳程传热的强化包括两个方面:一是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造来强化传热;二是改变壳程挡板或管间支撑物的形式,尽可能消除壳程流动与传热的滞留死区,尽可能减少甚至消除横流成分,增强或完全变为纵向流。传统的管壳式换热器,通常采用单弓形折流板,其阻力大、死角多、易诱发流体诱导振动等弊端已严重影响换热器传热效率,对工业生产和应用造成相当大的影响。据此,近年研究出了许多新的壳程支撑结构,有效弥补了单弓形折流板支撑物的不足,如双弓形折流板、三弓形折流板、螺旋形折流板、整圆形折流板(包括大管孔、小圆孔、矩形孔、梅花孔和网状整圆形折流板)、窗口不排管、波网支撑、折流杆式、空心环式、管子自支撑(包括刺孔膜片式、螺旋扁管式和变截面管式)、扭曲管和混合管束换热器式以及德国GRIMMA公司制造的纵流管束换热器等。2.2主动式强化传热技术2.2.1机械搅动包括用机械方法搅动流体、旋转传热表面和表面刮削。带有旋转的换热器管道的装置目前已用于商业应用。表面刮削广泛应用于化学过程工业中黏性流体的批量处理,如高黏度的塑料和气体的流动,其典型代表为刮面式换热器,广泛用于食品工业。2.2.2表面振动无论是高频率还是低频率振动,都主要用于增强单相流体传热。其机理是振动增强了流体的扰动,从而使传热得以强化。虽然振动本身对强化传热有不小的贡献,但激发振动所需从外界输入的能量可能会得不偿失。为此,山东大学研究表明,可利用流体诱导振动来强化传热,依靠水流本身激发传热元件振动,会消耗很少的能量。利用流体诱导振动强化传热既能提高对流传热系数,同时又能降低污垢热阻,即实现了所谓的复合式强化传热。2.2.3流体振动由于换热设备一般质量很大,表面振动这种方法难以应用,然后就出现了流体振动,该方法是振动强化中最实用的一种类型。所使用的振荡发生器从扰流器到压电转换器,振动范围大约从脉动的1Hz到超声波的106Hz。主要用于单相流体的强化传热。2.2.4静电场可以通过很多不同的方法将静电场作用于介电流体。总体来说,静电场可以使传热表面附近的流体产生较大的主体混合,从而使传热强化。静电场还可以和磁场联合使用来形成强