螺旋螺紋管換熱器傳熱機(jī)理

/SECESPOL高效換熱理論依據(jù)傳熱現(xiàn)象是由溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移,即以溫度差為動(dòng)力而產(chǎn)生的能量由高溫向低溫進(jìn)行傳遞的過(guò)程稱為傳熱。傳熱有三種基本方式，即熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)、熱輻射，其中，熱對(duì)流是流體各部分之間相對(duì)位移所引起的熱傳遞，是傳熱效果最好的一種傳熱方式；熱傳導(dǎo)是由微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)所引起的熱傳遞;熱輻射是由熱產(chǎn)生的電磁波而進(jìn)行的熱傳導(dǎo)（化工原理Ｐ2０0~Ｐ２01）。這三種傳熱方式的傳熱效果是按照：熱對(duì)流>熱傳導(dǎo)＞熱輻射，由高到低依次排列.在實(shí)際的化工應(yīng)用中多采用熱對(duì)流的傳熱方式進(jìn)行，但是由于流體本身的流動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)流傳熱是集熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象（化工原理P２1５）。以下將對(duì)影響對(duì)流傳熱效果的各個(gè)因素的基本原理進(jìn)行說(shuō)明，并針對(duì)Secespoｌ螺旋螺紋管換熱器與其它傳統(tǒng)換熱器進(jìn)行對(duì)比。一、換熱管的壁厚對(duì)傳熱的影響;不同物質(zhì)單位溫度梯度下的熱通量，稱為該物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，它表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓強(qiáng)有關(guān)系。不同狀態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)是基本按照金屬固體>非金屬固體〉金屬液體＞非金屬液體＞氣體的順序從大到小排列（化工原理Ｐ2０6）.在間壁傳熱過(guò)程中，能量的傳遞速率是與傳熱面積和傳熱面兩側(cè)溫差均成正比,并且還與物質(zhì)本身的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān).對(duì)于單層平壁傳熱,導(dǎo)熱速率計(jì)算公式如下（化工原理P2０7）:Q＝λ*S（其中:Q；導(dǎo)熱速率，W;Ｓ：換熱面積，㎡;λ：導(dǎo)熱系數(shù),W／m*℃；b：平均壁厚，m;ｔ1、t2：兩側(cè)壁面溫度，導(dǎo)熱推動(dòng)力，℃；對(duì)于傳統(tǒng)平板式換熱器，板片厚度對(duì)傳熱系數(shù)影響很大,厚度每減小0。1mm，對(duì)稱型板式換熱器的總傳熱系數(shù)約增加600W/(m2＊K），非對(duì)稱型約增加500W/（m２＊K），換熱器板間流道內(nèi)介質(zhì)平均流速以０。3～0．６m/s為宜，阻力以不大于100ｋPa為宜.（參考《提高板式換熱器效能的優(yōu)化設(shè)計(jì)》雷新義山西太原市熱力公司)。由公式1可以看出,傳熱界面的導(dǎo)熱系數(shù)與傳熱界面的壁厚成反比。Secespol螺旋螺紋管換熱器換熱管束平均厚度為0.６mｍ，接近普通平板式換熱器板片厚度0。８～1.2mｍ（化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)·換熱器設(shè)計(jì)P3３3），而傳統(tǒng)管殼式換熱器列管平均壁厚在2.0～2．5ｍm之間（化工原理Ｐ277），螺旋板換熱器板厚2～４mｍ(化工原理Ｐ272），在同等材質(zhì)及工況下,Ｓｅcespol螺旋螺紋管換熱器換熱管壁的導(dǎo)熱系數(shù)是其它傳統(tǒng)換熱器的１.３～7倍。二、液體流動(dòng)狀態(tài)對(duì)傳熱系數(shù)的影響；當(dāng)流體流過(guò)固體壁面時(shí)，由于流體黏性的作用,使壁面附近的流體減速而形成流動(dòng)邊界層,邊界層內(nèi)存在速度梯度。當(dāng)邊界層內(nèi)的流動(dòng)處于滯流狀態(tài)時(shí),稱為滯流邊界層；當(dāng)邊界層內(nèi)的流動(dòng)發(fā)展為湍流時(shí),稱為湍流邊界層。但是,即使是湍流邊界層，靠近壁面處仍有一薄層（滯流內(nèi)層）存在,在此薄層內(nèi)流體呈滯流流動(dòng)。滯流內(nèi)層和湍流主體之間稱為緩沖層.由于滯流內(nèi)層中流體分層運(yùn)動(dòng)，相鄰層間沒(méi)有流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，因此在垂直于流動(dòng)方向上不存在熱對(duì)流，該方向上的熱傳遞僅為流體的熱傳導(dǎo)(實(shí)際上，在滯流流動(dòng)時(shí)的傳熱總是要受到自然對(duì)流的影響,使傳熱加?。?由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使滯流內(nèi)層內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大,即溫度梯度較大。在湍流主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈混合并充滿漩渦,因此湍流主體中溫度差（溫度梯度)極小，各處溫度基本相同。在緩沖層區(qū)，熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)的作用大致相同，在該層內(nèi)溫度發(fā)生緩慢的變化.圖1表示冷熱流體在壁面兩側(cè)的流動(dòng)情況和與流體流動(dòng)方向相垂直的某一截面上的流體溫度分布情況.由上分析可知，對(duì)流傳熱是集熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象，對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在滯流內(nèi)層，因此，減薄滯流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的主要途徑。（化工原理Ｐ215)圖1冷熱流體間壁式傳熱對(duì)于多層平壁熱傳導(dǎo)的總推動(dòng)力為各層溫度差之和,即總溫度差，總熱阻為各層熱阻之和（化工原理P209）,導(dǎo)熱速率計(jì)算公式為:公式2Ｑ=ΣΔTiΣRi其中:Ｑ:導(dǎo)熱速率，W；ΔTi:編號(hào)為ｉ的間壁的兩側(cè)溫差，℃；Ｒi:編號(hào)為i的間壁的熱阻,℃/W,即:熱阻=間壁壁厚換熱面積*通過(guò)公式2和公式3可以看出，在同等工況下，即保持間壁兩側(cè)溫差、換熱面積、材料導(dǎo)熱系數(shù)等不變的前提下，導(dǎo)熱速率與換熱間壁壁厚及其兩側(cè)滯流內(nèi)層厚度之和成反比，也就是說(shuō)，若將換熱間壁及其兩側(cè)滯流內(nèi)層厚度同時(shí)減少一半,總導(dǎo)熱速率則是原來(lái)的兩倍。由于換熱器內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜,無(wú)法采用公式準(zhǔn)確計(jì)算滯流內(nèi)層厚度與流速的關(guān)系，但是可以通過(guò)相關(guān)資料提供的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行類比推算。注：（化工原理P4１）參考上述資料,在同等工況下，介質(zhì)流速ｕ對(duì)滯流邊界層厚度δ的比例關(guān)系可以推算:δ∝1u另外，上述公式是在平板換熱壁面的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論估算的,而對(duì)于非平板換熱壁面,如平板式換熱器板片、螺紋換熱管及波紋換熱管等,換熱壁面的幾何形狀干擾了平流層液體流動(dòng)，最大可能地將流過(guò)壁面的流體強(qiáng)制湍流狀態(tài)，并且增加流體對(duì)換熱壁面垂直沖刷的幾率，會(huì)大大減小邊界層厚度。由于換熱器內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，暫時(shí)沒(méi)有相關(guān)的理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行相關(guān)計(jì)算驗(yàn)證,但根據(jù)相關(guān)實(shí)際使用工況的使用情況，得出邊界層厚度與介質(zhì)的流速有關(guān)，介質(zhì)流速越高,湍流效果越劇烈，對(duì)換熱壁面沖刷的強(qiáng)度也越大，傳熱效果也會(huì)更好。由上述公式推導(dǎo)可以看出,設(shè)備內(nèi)部液體介質(zhì)流速對(duì)換熱管壁滯流層厚度有一定影響.Ｓecｅspol螺旋螺紋管換熱器殼程設(shè)計(jì)流速為5。5m/s，而傳統(tǒng)管殼式換熱器殼程設(shè)計(jì)流速一般在0．5~2m／s之間（化工原理P２７6）,螺旋板換熱器一般不超過(guò)2m／s（化工原理Ｐ27２），普通平板式換熱器板片間流體設(shè)計(jì)流速在０。３～０.6m/s之間（《化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)·換熱器設(shè)計(jì)》），由此可以看出,Seceｓpol螺旋螺紋管換熱器殼程流速在其它換熱器的２～1１倍,根據(jù)相關(guān)理論公式,其邊界層厚度是其它換熱器邊界層厚度的３/10～7/10，大大提高了總導(dǎo)熱速率。三、污垢熱阻:換熱器在實(shí)際操作中,傳熱表面上常有污垢積存，對(duì)傳熱產(chǎn)生附加熱阻,使總傳熱系數(shù)降低。估算K值時(shí)一般不能忽略污垢熱阻,由于污垢層的厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)難以準(zhǔn)確地估計(jì)，因此通常選用污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值作為計(jì)算Ｋ值的依據(jù)。(化工原理P220)如上截取相關(guān)資料,在公式４-４2中，各部分參數(shù)說(shuō)明如下：K:總傳熱系數(shù),Ｗ／（㎡·℃);αi,αo:換熱器管內(nèi)側(cè)和外側(cè)流體對(duì)流傳熱系數(shù)，Ｗ/(㎡·℃）；Ｒsｉ，Rso:換熱器管內(nèi)側(cè)和外側(cè)流體污垢熱阻,㎡·℃/W;b：換熱管壁厚,m；λ：材料導(dǎo)熱系數(shù),W／（ｍ·℃）；由式4—42可以看出污垢熱阻是直接疊加在總熱阻之上的，另外水垢的熱阻系數(shù)(即導(dǎo)熱系數(shù)的倒數(shù)）約為金屬材料的2０0倍，是傳熱系數(shù)的最大殺手。隨著設(shè)備使用時(shí)間的增加,附著在管壁的污垢逐漸累積,厚度不斷增加，大大影響設(shè)備傳熱系數(shù)及換熱效率。如何降低換熱器管壁的結(jié)垢傾向和累積速率,成為保證設(shè)備換熱效率最有效手段。影響結(jié)垢速度的相關(guān)因素主要包括以下幾個(gè)方面：介質(zhì)的硬度、微生物含量、對(duì)管壁的銹蝕能力等;流體的流動(dòng)速度:在換熱器中,流速對(duì)污垢的影響應(yīng)該同時(shí)考慮其對(duì)污垢沉積和污垢剝蝕的影響，對(duì)于各類污垢，對(duì)于流速增大引起剝蝕率的增大較污垢沉積的速率更為顯著，所以污垢增長(zhǎng)率隨著流速的增大而減小；傳熱壁面的溫度:溫度對(duì)于化學(xué)反應(yīng)結(jié)垢和鹽類析晶結(jié)垢有著重要的作用,流體溫度的增加一般會(huì)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速度和結(jié)晶速度的增大．從而對(duì)污垢的沉積量產(chǎn)生影響，導(dǎo)致污垢增長(zhǎng)率升高。換熱面材料和表面質(zhì)量：對(duì)于常用的碳鋼、不銹鋼而言。只是通過(guò)腐蝕產(chǎn)物的沉積而影響結(jié)垢；而如果采用耐蝕性能良好的石墨或陶瓷等非金屬材料，則不易發(fā)生結(jié)垢。換熱面材料的表面質(zhì)量會(huì)影響污垢的形成和沉積。表面粗糙度越大。越有利于污垢的形成和沉積。由上述相關(guān)論述可以看出，Secespｏl螺旋螺紋管換熱器結(jié)垢傾向低主要體現(xiàn)在:采用不銹鋼3１6材質(zhì),保證換熱面材料質(zhì)量,避免出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物的沉積而結(jié)垢，管束壁面光滑，垢質(zhì)難附著;彈性管束纏繞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化湍流狀態(tài)，增強(qiáng)了對(duì)換熱管束壁面的沖刷，減少了滯流內(nèi)層厚度,大大降低了垢質(zhì)附著的幾率;介質(zhì)設(shè)計(jì)流速為5。5m／ｓ,是傳統(tǒng)換熱器的２～1１倍，增加了垢質(zhì)的剝蝕率，降低了垢質(zhì)附著幾率.由此可以看出,Secesｐol螺旋螺紋管換熱器從材料、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)等方面充分考慮到了如何降低污垢熱阻,保證設(shè)備的高效傳熱.由于換熱器內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，對(duì)于傳熱系數(shù)的其它影響因素，如湍流劇烈程度、溫度梯度等，暫時(shí)沒(méi)有相關(guān)的理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行相關(guān)計(jì)算驗(yàn)證，本文暫不進(jìn)行相關(guān)理論論述。綜上所述，Secespｏｌ螺旋螺紋管換熱器無(wú)論從選材、壁厚、結(jié)構(gòu)、設(shè)