強化傳熱技術及高效節(jié)能設備

1、強化傳熱技術及高效節(jié)能設備第1頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三1 換熱器的強化傳熱技術近20年來，石油、化工等過程工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。各工業(yè)部門都在大力發(fā)展大容量、高性能設備，因此要求提供尺寸小、重量輕、換熱能力大的換熱設備。特別是始于20世紀60年代的世界能源危機，加速了當代先進換熱技術和節(jié)能技術的發(fā)展。強化傳熱已發(fā)展成為第二代傳熱技術，并已成為現(xiàn)代熱科學中一個十分引人注目的、蓬勃發(fā)展的研究領域。主要介紹工業(yè)化應用的、相對比較成熟的管殼式換熱器無功強化傳熱技術。3第2頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三1 換熱器的強化傳熱技術換熱器的強化傳熱就

2、是力求使換熱器在單位時間內，單位傳熱面積傳遞的熱量達到最多。應用強化傳熱技術的目的是：提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；減小設計傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；使換熱器能在較低溫差下工作。傳熱方程式為：Q = KAT式中 K傳熱系數(shù)；A換熱面積；T平均傳熱溫差。強化傳熱主要有3種途徑：提高傳熱系數(shù)、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差。4第3頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三2 傳熱過程強化的途徑（1）對流強化傳熱無相變過程強化對流傳熱技術的研究，可分為管內強化和管外強化兩種形式。強化措施大致有：管外采用新型擴展表面；管內采用插入物提高攪動程度；管內外采用異形管，改變管內流體流動狀態(tài)

3、提高傳熱；改變管束支撐件形式，提高流速和攪動程度；加入不互溶低沸點添加劑，靠汽化潛熱提高傳熱果。5第4頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三2 傳熱過程強化的途徑（2）冷凝強化傳熱冷凝傳熱基本有兩種類型，其一為膜狀冷凝，其二為滴狀冷凝。膜狀冷凝：冷凝液在壁面上形成一層連續(xù)不斷的液膜。在重力的作用下，液膜不斷地沿壁面流動，通過液膜傳遞給壁面，傳熱熱阻主要集中在冷凝液膜上。強化冷凝傳熱：減薄或消除冷凝液膜；疏導冷凝液膜迅速流開壁面；減小冷凝傳熱熱阻等等。6第5頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三2 傳熱過程強化的途徑傳熱系數(shù):滴狀冷凝膜狀冷凝（2）冷凝強化

4、傳熱滴狀冷凝:冷凝液不能潤濕壁面，只能在壁面上形成液珠。液珠長大后，受重力的作用不斷地攜帶著沿途的其他液珠沿壁面流下。與此同時，新的液珠又會在原來的途徑上重新復生。實現(xiàn)滴狀冷凝的途徑有：在金屬表面涂上憎水基有機化合物涂層；金屬硫化物涂層；貴金屬涂層；高分子聚合物涂層；往蒸汽中注入不潤濕性介質等。7第6頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三82 傳熱過程強化的途徑（3）沸騰強化傳熱核沸騰傳熱的強化有三種基本方法：降低表面的潤濕性；應用帶有凹陷形的核化空穴的傳熱表面；形成小通道內的液膜蒸發(fā)。沸騰強化傳熱措施：表面多孔管，燒結型、電鍍型、化學腐蝕和機械加工型；T形翅片管或Y形管，

5、機加工管型；整體內螺旋翅片管，強化管內沸騰傳熱的機加工管型；橢圓管用于強化降膜蒸發(fā)器的傳熱；管內加金屬絲網(wǎng)強化管內沸騰傳熱。第7頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三3 管殼式換熱器的強化傳熱技術管殼式換熱器的傳熱強化研究包括管程和殼程兩側的傳熱強化研究。通過強化傳熱管元件與優(yōu)化殼程結構實現(xiàn)。3.1 強化傳熱管元件改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳熱流路徑內設置各種形狀的插入物。改變傳熱面的形狀有多種，其中用于強化管程傳熱的有：螺旋槽紋管、橫紋管、螺紋管、縮放管、旋流管和螺旋扁管等。另外，也可采用擾流元件，在管內裝入麻花鐵，螺旋圈或金屬絲片等填加物，亦可增強湍動，且有破壞層流

6、底層的作用。9第8頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三thRdo3.1 強化傳熱管元件1）螺旋槽管螺旋槽紋管管壁是由光管擠壓而成。其管內傳熱強化主要：一是螺旋槽近壁處流動的限制作用，使管內流體做整體螺旋運動來產生局部二次流動；二是螺旋槽所導致的形體阻力，產生逆向壓力梯度使邊界層分離。螺旋槽紋管具有雙面強化傳熱的作用，適用于對流、沸騰和冷凝等工況，抗污垢性能高于光管，傳熱性能較光管s提高24倍。螺旋槽管結構圖10第9頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三3.1 強化傳熱管元件2）橫紋槽管橫紋管的強化機理為：當管內流體流經(jīng)橫向環(huán)肋時，管壁附近形成軸向游渦，

7、增加了邊界層的擾動，使邊界層分離，有利于熱量的傳遞。當游渦將要消失時流體又經(jīng)過下一個橫向環(huán)肋，因此不斷產生渦流，保持了穩(wěn)定的強化作用。橫紋槽管結構圖11第10頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三3.1 強化傳熱管元件3）縮放管換熱管表面的竹節(jié)狀結構，使管內介質流動時，產生收縮和放大效應，使介質湍動程度增加，提高了管內介質的熱交換能力，而且管內靠近管壁的介質沿管的軸向流動時，其方向和速度在波節(jié)處產生突變，形成局部湍流，使管壁處流體的滯留底層減薄，熱阻降低，也使管外介質的傳熱能力提高?？s放管結構圖12第11頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三3.1 強化

8、傳熱管元件4）低螺紋翅片管普通換熱管經(jīng)軋制在其外表面形成螺紋翅片的一種高效換熱管型。其強化作用是在管外。對介質的強化作用一方面體現(xiàn)在螺紋翅片增加了換熱面積；另一方面是由于殼程介質流經(jīng)螺紋管表面時，表面螺紋翅片對層流邊層產生分割低螺紋翅片管結構圖作用，減薄了邊界層的厚度。當用于蒸發(fā)時，可以增加單位表面上氣泡形成的數(shù)量，提高沸騰傳熱能力；當用于冷凝時，螺紋翅片十分有利于管下端冷凝液的滴落，使液膜減薄，熱阻減少，提高冷凝傳熱效率。13第12頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三3.1 強化傳熱管元件5）螺旋扁管螺旋扁管(Twisted tube)換熱器是由美國Brown公司推出的

9、。螺旋扁管的結構特點是管子的任一截面均為一長圓。螺旋扁管的強化機理：由于管子的獨特結構，使管程與殼程同時處于螺旋流動，促進了湍流程度。此換熱器比常規(guī)換熱器總傳熱系數(shù)高40，而壓力降則幾乎相等。此換熱器可用于氣氣、液液以及氣液換熱過程。螺旋扁管結構圖14第13頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三3.1 強化傳熱管元件6）菱形翅片管菱形翅片管為帶有周向非連續(xù)三維翅片的高效傳熱管，其傳熱強化性能優(yōu)于帶周向連續(xù)翅片的螺紋翅片管。當用于冷凝強化傳熱時，由于其三維翅片的特殊結構造成翅片表面液膜的表面張力分布不均(根部大，頂部小)，液膜被拉菱形翅片管結構圖向根部，使三維翅片表面的液膜厚

10、度大幅度的減薄，熱阻減小，使汽態(tài)介質和管外壁的換熱能力增強，從而提高換熱效果。15第14頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三波紋管橫向波紋3.1 強化傳熱管元件7）波紋管螺旋波紋管是以普通光滑換熱管為基管，采用無切削滾扎工藝使管內外表面金屬塑性變形而成，雙側帶有波紋的管型。波紋管管內被擠出凸肋，從而改變了管內壁滯流層的流動狀態(tài)，減少了流體傳熱熱阻，增強了傳熱效果。管16第15頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三pressuredrop(kPa)K(W/m2.K)7）波紋管性能160012008004000corrugated tube (exp.)p

11、lain tube (cal.)806040200corrugated tube (exp.)plain tube (cal.)5678910000Re235678910000Re23傳熱性能對比壓力降對比17第16頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三3.1 強化傳熱管元件8）表面多孔管（燒結、熱噴涂、電鍍等）采用含有造孔劑的金屬粉末，在普通光管的表面制備一層多孔涂層。該涂層在沸騰傳熱時，涂層中的大量微孔變成為汽泡形成的核心，由于微孔內的汽泡處于四周受熱狀態(tài)，氣泡核迅速膨大充滿內腔，持續(xù)受熱使氣泡內壓力快速增大，促使氣泡從管表面細縫中急速噴出。氣泡噴出時帶有較大的沖刷力量

12、，并產生一定的局部負壓，使周圍較低溫度液體涌入微孔內，形成持續(xù)不斷的沸騰。100表面多孔管結構圖18第17頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三表面多孔管強化傳熱機制性能曲線對比19第18頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三3.1 強化傳熱管元件9） T形翅片管T型翅片管是由光管經(jīng)過滾軋加工成型的一種高效換熱管。其結構特點是在管外表面形成一系列螺旋環(huán)狀T型隧道。管外介質受熱時在隧道中形成一系列的氣泡核，由于在隧道腔內處于四周受熱狀態(tài)，氣泡核迅速膨大充滿內腔，持續(xù)受熱使氣泡內壓力快速增大，促使氣泡從管表面細縫中急速噴出。氣泡噴出時帶有較大的沖刷力量，并產

13、生一定的局部負壓，使周圍較低溫度液體涌入T型隧道，形成持續(xù)不斷的沸騰。20第19頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三9、 T形翅片管T形槽汽泡換熱管T形翅片管結構圖21第20頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三3.1 強化傳熱管元件10） 其他形式換熱管縱向翅片管管內靜態(tài)混合器橫向翅片管22第21頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三3.2 殼程強化傳熱殼程強化傳熱的途徑主要有兩種：一是改變殼程擋板或管支撐物的形式，以減少或消除殼程流動與傳熱的滯留死區(qū)，使傳熱面積得到充分利用。如折流桿換熱器、空心環(huán)換熱器、螺旋折流板換熱器等等。二

14、是改變管子外形或在管外加翅片，即通過管子形狀或表面性質的改造來強化傳熱，以提高換熱器效率。如槽紋管、翅片管、表面多孔管、釘頭管等等。對于第二種情況前面有介紹，在這里主要向大家介紹第一種方法。23第22頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三3.2 殼程強化傳熱（1 ） 不同形式的折流板換熱器梅花孔板網(wǎng)狀孔板24第23頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三3.2 殼程強化傳熱（2）折流桿式換熱器20世紀70年代初，美國菲利浦公司為了解決天然氣流動振動問題，而將管殼式換熱器中的折流板改成桿式支撐結構，開發(fā)出了折流桿換熱器。研究表明，這種換熱器不但能防振，而且還

15、提高了傳熱系數(shù)。此種換熱器廣泛應用于單相沸騰和冷凝的各種工況。其總傳熱系數(shù)比普通折流板換熱器提高4060%，且抗振性能好。把折流桿支撐結構與螺旋槽管、橫紋槽管、底翅片管、T形翅片管等強化傳熱管組合，形成復合強化傳熱技術。折流桿換熱器是目前應用最廣的新型管殼式換熱器。25第24頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三（2） 折流桿式換熱器折流桿式換熱器內部結構26第25頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三.27（2 ） 折流桿式換熱器折流桿式換熱器流動形式死區(qū). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .傳統(tǒng)折流板式

16、換熱器的流體流動形式. . . . . . . . . . . . . . . . .第26頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三（2） 折流桿式換熱器折流桿殼體折流圈 X換熱管折流圈 Y導液缺口折流桿式換熱器（與波紋管組合強化）設計與制造28第27頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三新型高效節(jié)能換熱器研究開發(fā)傳熱性能流體力學性能“新型高效節(jié)能換熱器系列”，被列入國家重點推廣計劃，、“新型縱流殼程換熱設備現(xiàn)代設計技術的研究與應用”（獲國家科技進步二等獎）等項目成果，已在河南、江蘇、山東等二十余省市近二百家化肥、石化、煉油、熱電廠應用，經(jīng)濟效益和社會效益

17、十分顯著。第28頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三3.2殼程強化傳熱（3） 空心環(huán)式換熱器空心環(huán)管殼式換熱器是我國于20世紀90年代發(fā)明的一種新型管殼式換熱器?？招沫h(huán)是由直徑較小的鋼管截成短節(jié)，均勻地分布于換熱管管間的同一截面上，呈線性接觸，在緊固裝置螺栓力的作用下，使管束相對緊密固定?？招沫h(huán)作為支撐形式，已成功地應用于小型氮肥廠。據(jù)報道，在相同條件下，其傳熱面積雖比單弓形支承可減少35，傳熱速率則可增加38，泵功率可減少75。30第29頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三31（3） 空心環(huán)式換熱器空心環(huán)管殼程介質管空心環(huán)式換熱器第30頁，共50頁

18、，2022年，5月20日，22點57分，星期三3.2殼程強化傳熱（4） 螺旋折流板換熱器螺旋折流板換熱器是最新發(fā)展起來的一種管殼式換熱器，是由美國ABB公司提出的。與常規(guī)折流板相互平行布置方式不同，它的折流板相互形成一種特殊的螺旋形結構，每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度，使殼程流體做螺旋運動，能減少管板與殼體之間易結垢的死角，從而提高了換熱效率。在氣水換熱的情況下，傳遞相同熱量時，該換熱器可減少3040的傳熱面積，節(jié)省材料2030。此換熱器尤適宜于處理含固體顆粒、粉塵和泥沙等流體。32第31頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三（4） 螺旋折流板換熱器將1/4圓周

19、的扇形折流板片，按規(guī)定的螺旋升角沿周向轉角排列，最終在軸向形成一個螺旋框架。減少流動阻力、提高流速、減少死區(qū)、強化傳熱。33第32頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三（5）扭曲管換熱器扭曲管結構圖34第33頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三（5）扭曲管換熱器管程、殼程同時強化傳熱，抗振性能好。更適合流速底、粘度大的流體。35第34頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三HEAT TRANSFER ENHANCEMENT TECHNOLOGIES ANDHIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGERS二、緊湊式換熱器與

20、余熱回收器36第35頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三1 緊湊式換熱器以板面式換熱器為主A. 螺旋板式換熱器B. 板式換熱器C. 板翅式換熱器D. 板殼式換熱器37第36頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三1 緊湊式換熱器1 ） 螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器由兩張平行的薄鋼板卷制而成，構成一對互相隔開的螺旋形流道。冷熱兩流體以螺旋板為傳熱面相間流動，兩板之間焊有定距柱以維持流道間距，同時也可增加螺旋板的剛度。在換熱器中心設有中心隔板，使兩個螺旋通道隔開。38第37頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三1 緊湊式換熱器1） 螺旋板

21、式換熱器39第38頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三1 緊湊式換熱器2） 板式換熱器板式換熱器是由一組金屬薄板、相鄰薄板之間襯以墊片并用框架夾緊組裝而成。矩形板片上四角開有圓孔，形成流體通道。冷熱流體交替地在板片兩側流過，通過板片進行換熱。板片通常壓制成各種波紋形狀，既增加剛度，又使流體分布均勻，加強湍動，提高傳熱系數(shù)。板片數(shù)目可以根據(jù)工藝條件的變化，增加或減少。40第39頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三1 緊湊式換熱器2） 板式換熱器41第40頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三1 緊湊式換熱器3 ） 板翅式換熱器板翅式

22、換熱器的基本結構，是由平隔板和各種型式的翅片構成板束組裝而成。在兩塊平行薄金屬板（平隔板）間，夾入波紋狀或其他形狀的翅片，兩邊以側條密封，即組成為一個單元體。各個單元體又以不同的疊積適當排列，并用釬焊固定，成為常用的逆流或錯流式板翅式換熱器組裝件，或稱為板束。再將帶有集流進出口的集流箱焊接到板束上，就為板翅式換熱器。42第41頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三1 緊湊式換熱器3） 板翅式換熱器逆流錯流光直翅片鋸齒翅片多孔翅片43第42頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分，星期三1 緊湊式換熱器4） 板殼式換熱器板殼式換熱器與列管式換熱器的重要區(qū)別是以板束代替管束。板束的基本元件是將條狀鋼板滾壓成一定形狀然后焊接而成。板束元件可以緊密排列、結構緊湊，單位體積提供的換熱面為列管式的3.5倍以上。板殼式換熱器不僅有各種板式換熱器結構緊湊、傳熱系數(shù)高的特點，而且結構堅固，能承受很高的壓力和溫度，較好地解決了高效緊湊與耐溫抗壓的矛盾。44第43頁，共50頁，2022年，5月20日，22點57分