換熱設(shè)備強化傳熱的分析與措施

1、換熱設(shè)備強化傳熱的分析與措施路曉琳【摘 要】換熱器是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備，如何有效地改善其傳熱性能是人們一直所關(guān)心的問題，強化傳熱則是改善其傳熱性能的最重要手段之一。本文首先介紹了換熱器的應(yīng)用和地位，以傳熱基本方程式為出發(fā)點分析影響換熱器傳熱的因素及改善措施，并對如何有效強化傳熱系數(shù)的方法和技術(shù)進行了深入的研究?！娟P(guān)鍵字】換熱器；強化傳熱；傳熱基本方程式；傳熱系數(shù) 隨著化工、石油、冶金、輕工等工業(yè)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，能源緊缺也成為了世界性重大問題之一，尺寸小、重量輕、換熱能力大的換熱設(shè)備因此成為各工業(yè)部門大力發(fā)展和研究的方向，以減少設(shè)備的投資和運轉(zhuǎn)費用。換熱器是過程工業(yè)中應(yīng)用廣

2、泛的單元設(shè)備之一，據(jù)統(tǒng)計，在化學(xué)行業(yè)中，所用換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%左右；在煉油廠中，換熱器占全部工藝設(shè)備的40%左右；在熱電廠中，換熱器的投資約占整個電廠總投資的70%左右；海水淡化工藝裝置更是幾乎全部由換熱器組成，提高換熱器的傳熱效率，對于提高能量利用率、節(jié)能降耗是一種很有效的途徑，因此強化傳熱的研究成為了人們關(guān)注的課題。換熱器的強化傳熱就是通過改變影響傳熱過程的各種因素力求使換熱器在單位時間、單位傳熱面積上傳遞更多的熱量，通過這種改善傳熱性能的技術(shù)，提高換熱器的傳熱效率，以達到用最經(jīng)濟的設(shè)備來傳遞更多熱量的目的，實現(xiàn)能源的合理利用。一、傳熱強化概述換熱設(shè)備穩(wěn)定傳熱時的傳熱量為

3、Q，傳熱基本方程式可以表示為：Q=KAtm由方程式可知，換熱設(shè)備的換熱量分別與傳熱系數(shù)K、換熱面積A、傳熱溫差tm成正比，三者均是影響傳熱量的重要物理量，因此，擴大傳熱面積A、增大傳熱溫差tm、提高傳熱系數(shù)K均可以使傳熱過程強化。1、擴大傳熱面積A擴大傳熱面積是實現(xiàn)換熱設(shè)備傳熱強化的一種有效途徑，擴大傳熱面積不應(yīng)該靠加大設(shè)備的外部尺寸來實現(xiàn)，應(yīng)從設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)來考慮，使換熱設(shè)備高效而緊湊。在管殼式換熱器中，一般采用以下措施：（1） 采用合適導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)，最大限度地換熱器傳熱死區(qū)，高效利用換熱面；（2）采用小直徑換熱管，并選擇合適的管間距或排列方式來合理的布置受熱面，在加大傳熱面積的同時，還可以改善

4、流動特性；（3）采用擴展表面換熱面，盡可能增大換熱器的有效傳熱面積；（4）改良傳熱表面性能，將管子內(nèi)、外表面制成各種不同的表面形狀；2、增大傳熱溫差tm增大傳熱溫差tm的方法一般有兩種：一是對無相變的流體，盡可能使冷、熱流體相互逆流，或采用換熱網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，合理的布置多股流體流動與換熱；二是增加冷、熱流體進出口溫度差來增大平均傳熱溫差tm。無論哪種方法，因為有工藝和設(shè)備條件的限制，都只能在有限的范圍內(nèi)采用，因此我們不能把增大傳熱溫差tm作為增強換熱器傳熱效果的主要手段。3、提高傳熱系數(shù)K提高換熱設(shè)備的傳熱系數(shù)是傳熱強化的重要途徑，也是當前研究傳熱強化的重點。提高傳熱系數(shù)的方法大致可以分為一下幾種：

5、（1）減小污垢熱阻R。換熱器在運行一段時間后，由于污垢的積存，會導(dǎo)致單位時間內(nèi)傳熱量Q的下降，傳熱速率降低，因此提高流體流速、減小污垢熱阻是強化傳熱的方法之一。主要方法如下：采用抗腐蝕、抗污垢性強的換熱管；（如聚四氟乙烯塑料管、有機涂層換熱管。）在介質(zhì)中加入類似無機磷系藥劑等阻垢劑類微量物質(zhì)，阻緩換熱器結(jié)構(gòu)，減小垢下腐蝕，（可以確保設(shè)備長時間高效運行，延長使用壽命）；定期清洗污垢，常用方法有機械清洗（高壓射流、噴丸、振動和固體顆粒流態(tài)化等清洗方式）和化學(xué)清洗（酸洗、堿洗、氨洗、專用溶劑和燃燒等清洗除垢法），一般常將機械和化學(xué)清洗兩者結(jié)合使用，但有些清洗劑在溶解垢層的同時，對設(shè)備本身也會產(chǎn)生腐蝕

6、，所以需加入緩蝕劑，防止腐蝕。在日常生產(chǎn)中，針對不同換熱設(shè)備的本身材質(zhì)、介質(zhì)性質(zhì)以及污垢種類等因素，采取不同的除垢方式來減小污垢熱阻。（2）主動式強化（有源強化）。指需要采用外加的動力，消耗外部能量來增強傳熱的技術(shù)。主要通過對換熱介質(zhì)做機械攪拌、促進換熱表面振動和流體振動、利用電磁場促使換熱表面附近流體的混合、引射與虹吸等方法來強化傳熱，由于主動強化傳熱技術(shù)受外加能量等因素的限制，商業(yè)價值低、投資與操作費用大、機理較復(fù)雜、伴隨有振動和噪聲，因此換熱器的強化傳熱目前多采用被動強化。（3）被動式強化（無源強化）。指不需要附加動力，只改變傳熱元件本身來增強傳熱的技術(shù)。管殼式換熱器的強化傳熱目前主要分

7、為兩個方向：管程強化傳熱和殼程強化傳熱。下面將重點介紹。二、傳熱系數(shù)的強化措施1、管程強化傳熱管程強化傳熱技術(shù)可歸納為兩個方面：一是采用新型結(jié)構(gòu)的換熱管，通過改變換熱管形狀以加大管程流體湍流程度或傳熱面積，二是管內(nèi)插物。（無論是新型換熱管還是管內(nèi)插物，其機理都是破壞層流邊界層，增加流體的湍流程度，提高傳熱系數(shù)，從而提高換熱器的整體傳熱效率。）（1）新型結(jié)構(gòu)管 橫紋管。如圖1，采用變截面連續(xù)滾軋成型，管外形成與管子軸線成90°相交的橫向溝槽，管內(nèi)呈橫向凸肋。流體流經(jīng)管內(nèi)凸肋時沿著整個截面產(chǎn)生軸向渦流，增加了流體邊界層的擾動，有利于熱量的傳遞，當渦流即將消失時，流體又流經(jīng)下一個凸肋，不斷

8、產(chǎn)生軸向渦流，使傳熱得到連續(xù)且穩(wěn)定的強化。圖1 橫紋管結(jié)構(gòu)圖 圖2 螺旋槽管結(jié)構(gòu)圖螺旋槽管。如圖2，管外有帶一定螺旋角的溝槽，管內(nèi)為相應(yīng)的凸肋。凸起和槽紋使得管中的流體形成軸向流動和旋轉(zhuǎn)流動，達到了充分的湍流，產(chǎn)生的漩渦以及近壁面處流體的擾動破壞了邊界層厚度，促進了傳熱，湍流度的增加有效的避免了污垢在傳熱面的沉積，提高了傳熱系數(shù)，增強了管內(nèi)外流體的換熱。螺旋槽愈深，流阻愈大，螺旋角愈大，愈有利于換熱。 翅片管。由光管內(nèi)或外接翅片制成，翅片按截面形狀可分為矩形、T形、花瓣形、釘翅等。翅片結(jié)構(gòu)不僅有效增加了傳熱面積，同時改變了流體的流動形式和阻力分布。（2）管內(nèi)插物管內(nèi)插物是利用各種金屬的條、帶、

9、片和絲等繞制或扭曲成螺旋形，或沖成帶有缺口的插入帶來改變管內(nèi)流體的流動路徑，加強流體的擾動，提高湍流強度，擴大傳熱面積，從而獲得較高的傳熱系數(shù)，達到強化傳熱的效果。2、殼程強化傳熱換熱設(shè)備殼程強化傳熱的途徑主要有：一是改變管子外形活在管外加翅片，即通過管子形狀或表面性質(zhì)的改變的來強化傳熱，如外翅片管、螺紋管等；而是改變殼程擋板或管束支承結(jié)構(gòu)，改變殼程流態(tài)，減少或消除殼程流動和傳熱的滯留死區(qū)，達到充分利用傳熱面積的目的。（1）改變殼程擋板結(jié)構(gòu)雙弓形和多弓形折流板大多傳統(tǒng)的管殼式換熱器多采用單弓形折流板，殼程流體易產(chǎn)生滯留死區(qū)，換熱不充分。雙弓形和多弓形折流板換熱器在殼程將流體分為兩股或多股平行流

10、，橫向流動長度縮短，壓降明顯小于單弓形折流板，且遠大于傳熱系數(shù)的降低程度，故綜合性能優(yōu)于單弓形折流板換熱器。網(wǎng)狀整圓形折流板 網(wǎng)狀整圓形折流板是在整圓形折流板、帶小孔的整圓形折流板、異形孔整圓形折流板的基礎(chǔ)上依次改進產(chǎn)生的，它首先改變了弓形折流板換熱器中的橫向流動，避免了流體因轉(zhuǎn)彎而引起的滯留死區(qū)，提高了流體在殼程的流速，其次彌補了整圓形折流板加大換熱器殼體的直徑，缺乏對管束的支撐，管束抗振性能很差的不足，同時還改善了帶小孔的整圓形折流板易結(jié)垢和腐蝕、異形折流板加工困難的缺陷。網(wǎng)狀整圓形折流板流體壓力降小，通透性好，傳熱面積被充分利用。（2）改變管束支承結(jié)構(gòu)桿式支承結(jié)構(gòu)折流桿支承結(jié)構(gòu)是由一系列焊有折流桿的折流圈組成的折流籠。折流桿交錯穿插于管子之間，折流桿的直徑與相鄰管子之間的間隙基本相同，因此管子被折流桿緊緊固定住。由于折流桿換熱器殼程流體的流動方向主要為縱向流動，不僅消除了傳熱死區(qū)、減小了殼程壓力降和流體的誘導(dǎo)振動、還因為流體對管壁較強烈的沖刷，使傳熱邊界層減薄，強化了傳熱。自支承結(jié)構(gòu)自支承結(jié)構(gòu)主要是通過采用如刺孔膜片管、螺旋扁管和變截面管等形式的自支承管來簡化管束支承，提高換熱器的緊湊度。其特點是換熱器利用管自身一部分或變徑部分的點接觸來支承管子，同時組成了殼程的擾流元件，增強了流體的湍流度，破壞了流體傳熱邊界層，從而起到了強化傳熱的作用。改變管束支承結(jié)構(gòu)的方法