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换热器传化强热
换热管传热强化技术与发展
摘要:
本文概要介绍国内外管壳式换热管强化传热技术、原理
及研究方法和研究现状。
关键词:
换热管传热强化现状
1、概述
1.1换热管强化传热的意义
管壳式换热器是工业中应用最广泛、运用可靠性良好的一种换热设备。
世界各国在二十世纪六、七十年代开始了强化技术的研究。
强化传热主要有两种途径:
(1)增大传热面积,但换热器的传热面积不可能无限制地增大,否则投资费用会大大增加,并且随着工业化的进展,设备要紧凑化;
(2)提高传热系数,主要从管程和壳程传热强化系数的提高方面上考虑。
许多科研工作者已经在这一方面上进行了大量的研究,并且取得了很大的成效。
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。
1.2换热管强化的手段
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。
1.3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=kFΔT
(1)
式中:
k-传热系数[W/(m2·K)],F-传热面积[m2]
ΔT-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ΔT来实现。
a、增加冷热液体的平均温差ΔT
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。
在冷热流体进出口温度相同时,逆流的平均温差ΔT最大,顺流时ΔT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出口温度的差别来增加ΔT。
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ΔT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15.86×105Pa时,相应的饱和温度为437K,若为了增加ΔT,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105Pa。
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ΔT的办法来增加传热只能适用于个别情况。
b、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,而且在金属重量相同的情况下,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1m3体积内仅能布置换热面积150m2左右。
而在板式换热器中则可达1500m2,板翅式换热器中更可达5000m2,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。
c、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。
当管壁较薄时从传热学中我们知道,传热系数k可用下式计算:
(2)
式中,α1—热液体和管壁之间的对流换热系数
α2—冷流体和管壁之间的对流换热系数
δ—管壁的厚度,λ—管壁的导热系数
一般讲金属壁很薄,导热系数很大,δ/λ可以忽略。
因此传热系数k可以近似写成:
k=α1α2/(α1+α2)。
由此可知欲增加k,就必须增加α1和α2,但当α1和α2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时,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,或将管壁本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
2、换热管强化传热的方法
2.1螺旋槽管
螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凸的异形管,管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数,起到双边强化的作用。
根据在光管表面加工螺旋槽的类型螺旋槽管有单头和多头之分,其主要结构参数有槽深e、槽距p和槽旋角B。
美国、英国、日本从1970年至1980年间对螺旋槽管进行了大量的研究。
华南理工大学、北京理工大学和重庆大学也对螺旋槽管进行试验研究,而且都取得显著的成效。
此外,研究还表明单头螺旋槽管比多头螺旋槽管的性能好。
目前,无论是从传热、流阻、结垢性能,还是从无相变对流换热和有相变凝结换热,对螺旋槽管的强化传热研究从理论到实际已达到较高水平。
进一步结合计算机软硬件的发展,对螺旋槽管在不同场合传热的模拟和仿真,找出具有较大通用性的关联式以及优化螺旋槽管的结构尺寸将是今后研究的方向。
2.2横纹管
1974年前苏联首先提出横纹管,它是一种用普通圆管作毛胚,在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽,同时在管内形成一圈突起的环肋。
其强化机理为:
当管内流体经横向环肋时,管壁附近形成轴向漩涡,增加了边界层的扰动,有利于热量通过边界层的传递。
当涡流即将消失时,流体又流经下一个横肋,不断产生轴向涡流,因而保持连续且稳定的强化作用。
横纹管主要用来强化管内单相流体的传热,华南理工大学经研究发现,在相同流速下,横纹管流阻比单头螺旋槽管的小。
2.3螺旋扁管
螺旋扁管是瑞士Allares公司首先提出、美国Bmwn公司经过改进的一种换热管。
由于管子的独特结构,流体在管内处于螺旋流动,促使湍流程度。
梁龙虎口1经实验研究,表明螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高,在低雷诺数时最为明显,达2~3倍;随着雷诺数的增大,通常也可提高传热系数50%以上。
2.4管内插入物
管内插入物的类型有很多,主要有:
麻花铁、螺旋线圈、螺旋带、螺旋片、扭带和静态混合器等。
各种插入物的强化传热机理一般可分为以下四种:
(1)形成旋转流;
(2)破坏边界层;(3)中心流体与管壁流体产生置换作用;(4)产生二次流。
管内插入物的优点是对旧的换热器设备进行改造,以提高其换热性能。
在强化传热的同时,能达到清除污垢的目的。
英国calGavjn公司研制一种叫Heatex的插人物,它由一组延伸至管壁的圆态体组成,可使管侧传热效率提高2一15倍。
该公司还开发了一种叫HitranMatrixElements的花环式插入物,能在不增大压降的条件下大大提高传热系数。
用于液体工况,可使管壳式换热器管程传热效率提高25倍;用于气体工况,可使相应值提高5倍。
此外,与正常流速相比,这种插入物使换热管的防垢能力提高8一IO倍。
2.5内翅片管
内翅片管是采用特殊的焊接工艺和设备加工而成,流体在管内的换热过程为单相强制对流换热。
其主要特点是通过在传热管管内扩大传热面积、强化管内传热的途径来提高换热器的传热性能。
1971年美国首先提出内翅片管,并于二十世纪九十年代又开发出一种高效强化管内相变传热的内螺旋翅片管。
日本、前苏联等国也进行大量的研究工作。
八十年代初,日立电缆有限公司研究表明,采用左右错式的螺旋内翅片管强化单相流体的传热可使管内给热系数提高到光管的2.8倍左右。
2.6缩放管
缩放管是由依次交替的多节渐缩段和渐扩段构成,流体在该管结构的作用下引起湍动,从而提高传热效率。
缩放管应用于单相流的研究已开展很多。
华南理工大学提出一种改型缩放管,将每个缩放单元段中的扩张段减到最小,并采用外凸圆弧、内凹弧和直线相连接的方式。
同时还对该改进型管进行自然对流沸腾换热特性的实验研究,表明了改进型缩放管的自然对流沸腾换热性能优于普通缩放管。
该改进型缩放管有较好的强化传热效果。
2.7三维内肋管
三维内肋管是通过专用的工具经过一定的方法对普通圆管内壁加工而成的高效强化传热元件。
流体在管内受到三维肋的作用而使其热边界层的厚度减薄,从而提高对流传热膜系数。
在某些烟气管对流换热中,三维内肋管具有独特的自清灰功能,经实验发现,烟气与三维内肋管的对流换热系数可达光管的3.2倍,比其它强化管如螺纹管的传热效果好。
3、结语
换热管的强化传热技术随着工业的要求正在逐步进行改进,随着计算机软硬件的发展,计算流体力学在流体流动和传热进行计算机模拟和仿真方面上将会得到更广泛的应用。
为了达到更好的强化传热目的,更优化的强化结构组合研究也将成为传热强化技术研究的发展方向。
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文献综述
课程名称:
热交换器原理与设计
指导教师:
李佳玉
班级:
11081802
学号:
1108180241
姓名:
张峰瑞
- 配套讲稿:
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