管殼式換熱器強化傳熱綜述

管殼式換熱器強化傳熱隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對能源的需求越來越大．而利用高效換熱器可以吸收化工、石油生產(chǎn)過程中存在的大量余熱，既節(jié)約了能源，又減少了污染。與板式、板翅式換熱器相比，管殼式換熱器由于其適用性廣、堅固耐用、密封性較好以及其結(jié)構(gòu)簡單、清洗方便是石油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用最普遍的一種換熱器（占整個換熱器設(shè)備的70％以上）[1]。因此．如何最大限度地利用熱能和回收熱能，強化管殼式換熱器成為人們所研究的重點之一。（一） 強化傳熱的途徑單位時間內(nèi)的換熱量Q與冷熱流體的溫差At及傳熱面積F成正比，即:Q=k?F?△t.可見強化傳熱可以通過增加傳熱面積F、加大傳熱溫差At,提高傳熱系數(shù)K3個途徑來實現(xiàn)。1．1增加傳熱面積F增加傳熱面積不應(yīng)理解為單一擴大設(shè)備體積或臺數(shù)，而應(yīng)是采用改變傳熱表面結(jié)構(gòu)或材料性能合理提高設(shè)備單位體積的傳熱面積．使設(shè)備高效、緊湊、輕巧。如采用螺旋螺紋管、翅片管、波紋管、粗糙表面管、異形管等方法都能使傳熱面積增加。1.2加大傳熱溫差At在考慮到實際工藝或設(shè)備是否允許的情況下，改變冷熱流體溫度或改變換熱流體同的流動方式如逆流、錯流等，就可改變傳熱溫差血，但這種方法受生產(chǎn)工藝、設(shè)備條件、環(huán)境條件及經(jīng)濟性等方面限制，實際操作時有一定局限性。1.3提高傳熱系數(shù)k提高傳熱系數(shù)小的一側(cè)傳熱面之傳熱系數(shù).就可使設(shè)備總傳熱系數(shù)大幅度提高。當今世界上強化傳熱研究的重點就是提高傳熱系數(shù)，有一種趨勢是改善流體自身流動狀態(tài)，加強湍流來實現(xiàn)強化傳熱。管殼式換熱器其主要換熱元件是管子，因此改變營子截面形狀、改變管子表面結(jié)構(gòu)、在管內(nèi)插入擾流裝置或在流體中摻八顆粒等都能改善流體自身流動狀態(tài)從而達到強化傳熱目的[2]。（二）強化傳熱技術(shù)換熱器的強化傳熱就是力求使換熱器在單位時間內(nèi)，單位傳熱面積傳遞的熱量達到最多[3].強化傳熱技術(shù)的應(yīng)用主要表征在設(shè)備尺寸縮小，投資省.可減少操作費用，獲得較顯著的經(jīng)濟效益應(yīng)用強化傳熱技術(shù)可以用結(jié)構(gòu)相對緊湊的換熱設(shè)備來傳遞規(guī)定的熱量，還可以達到以往傳統(tǒng)換熱器達不到的加熱或冷卻效果在設(shè)備改造過程中.開發(fā)新型換熱器，常常受到原設(shè)備所處工況的限制，所以.對傳統(tǒng)的管殼式換熱器采用強化傳熱措施是非常有效的傳熱強化途徑目前，常用螺紋管、波紋管、螺旋槽紋管、橫紋管、縮放管、管內(nèi)插入物等來代替光管以達到強化傳熱的目的[4]．（三）強化型管殼式換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀強化型管殼式換熱器主要是從管程和殼程兩大方面進行傳熱強化的．3.1管程強化傳熱通?？蓪Q熱管進行加工得到各種結(jié)構(gòu)不同的異形管，通過這些異形管進行傳熱強化．圉1裟蓉管子喪IS結(jié)恂3.1．1螺旋槽紋管[5-6]螺旋槽紋管管壁是由光滑管擠壓而成，有單頭和多頭之分，其管內(nèi)傳熱強化主要因兩種流動方式起決定作用，一是螺旋槽對近壁處流動的限制作用，使管內(nèi)流體做整體螺旋運動來產(chǎn)生局部二次流；二是螺旋槽所導致的形體阻力，產(chǎn)生逆向壓力梯度使邊界層分離．螺旋槽紋管能在有相變和無相變的傳熱中顯著地提高管內(nèi)外的給熱系數(shù)，具有雙面強化傳熱作用適用對流、沸騰、冷凝等工況，抗污垢性能高于光管，傳熱性能較光管提高2?4倍.華南理工大學對螺旋槽管管內(nèi)流體進行了實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)單頭螺旋槽管比多頭螺旋槽管的性能好.3.1.2橫紋營【7-8】橫紋管通常是將光滑換熱管經(jīng)滾壓加工成的，其外壁上有沿軸向間隔的環(huán)形槽，內(nèi)壁則由于外壁環(huán)形槽向內(nèi)擴展而出現(xiàn)對應(yīng)的環(huán)狀凸出，使沿內(nèi)外管壁流動的流體均產(chǎn)生邊界層分離流，促進了流體的紊流強度，增加了流體邊界層的擾動，從而強化了管內(nèi)外的傳熱過程.用橫紋管制成的管殼式換熱器與傳統(tǒng)的光滑管換熱器相比總傳熱系數(shù)提高85％．這種橫紋管不僅能用于單相對流傳熱．也可用于強化管內(nèi)流動沸騰傳熱，而且能同時強化管子的內(nèi)、外傳熱［7］3．1．3螺紋管螺紋管是一種由鋼管經(jīng)環(huán)向滾壓軋制而成的整體低翅片管，其螺紋狀的低翅片與管子掏成.體，具有較好的_力學、傳熱和熱膨脹等性能．試驗表明，當管內(nèi)的傳熱系數(shù)比管外的大兩倍以上時，其總傳熱系數(shù)值可提高20%?30%⑻因此.當管內(nèi)膜傳熱系數(shù)為管外膜傳熱系數(shù)2倍或更大時．用螺紋管合適．螺紋管也可用來強化有相變流體的傳熱．3.1.4內(nèi)渡紋螺旋管【9】該管結(jié)構(gòu)與螺旋槽管相比，具有雙面強化作用，它是通過對光管的軋制而成.由于管內(nèi)螺旋狀波紋的存在，提高紊流的脈動性，減小層流底層，使總的傳熱系數(shù)較光管提高1.7倍［9］，在湍流時可使對流傳熱系數(shù)增加1倍多，從而達到強化傳熱的目的.a.轟旋扃管b.液紋管a.轟旋扃管b.液紋管閱2菅戴面蜜優(yōu)C.堀放管3.1.5波紋管［10］波紋管是用普通無縫薄鋼管經(jīng)過特殊加工而成的，外形像糖葫蘆一樣.波紋管換熱器屬管殼式換熱器，只是換熱管改成先進的專利波紋管.使其管內(nèi)流體在低流速的情況下呈湍流狀態(tài)，總傳熱系數(shù)較光管提高2.8?3倍.波紋管的軸向剮度小，可有效地吸收溫差變形，所，波紋管換熱器可以不設(shè)膨脹節(jié).3.2殼程強化傳熱殼程強化傳熱.可以通過上述改變管子外形或在管外加翅片來實現(xiàn)，鋸齒形翅片管和花瓣形翅片管就是典型例子，此外，還有燒結(jié)多孔表面管和機械加工的多孔表面管.殼程強化傳熱的另一途徑就是改變殼程檔板或管聞支撐物外導流筒折流桿換熱器就是典型例子.3.2.1強化冷凝的鋸齒形翅片管和花瓣形翅片管鋸齒管是一種新型冷凝傳熱管鋸齒管比螺紋管翅片距更密，而且翅片外緣帶有鋸齒缺口，其傳熱面比螺旋管還大由于翅片頂部呈錯開鋸齒狀，使冷凝液的流動呈擾動狀態(tài)促進了冷凝液膜的對流傳熱，所以鋸齒管的管外冷凝給熱系數(shù)是光管的6倍，是低肋管的15?2倍花瓣形翅片管是一種特殊的三維翅片結(jié)構(gòu)強化傳熱管，其最大的特點是翅片從翅頂?shù)匠岣急桓盍验_，翅片側(cè)面呈一定的弧線，并有相對較小的曲率半徑．從截面上看各翅片呈花瓣狀．花瓣形翅片管的冷凝傳熱系數(shù)是光管的11—18倍．在自然對流條件下，花瓣形翅片的單管冷凝傳熱系數(shù)比鋸齒形翅片管提高了8％?10％.3．2．2強化沸騰傳熱管用于有相變強化傳熱的強化沸騰傳熱管有：燒結(jié)多孔表面管、機械加工的多孔表面管、電腐加工的多孔表面管、T型翅片管、ECR40管和Tube—B型管［⑴.武漢冷凍機廠分別用表面機加工的多孔管與目前制冷業(yè)流行的低肋管組裝而成的兩臺蒸發(fā)器進行比較，結(jié)果表明：多孔管的熱流密度比低肋管高36％，可減少傳熱面積26％.目前，高效沸騰傳熱管可用于制冷劑的蒸發(fā)，輕烴的分離、地熱發(fā)電、海水溫差發(fā)電、廢熱余熱的動力回收以及水溶液的蒸發(fā)等低溫差沸騰傳熱過程［12］.3.2.3外導流筒折流桿換熱器折流桿換熱器是美國菲利蒲公司70年代為減小天然氣流體誘導振動而研制的一種桿式折流柵式換熱器.80年代在我國開始推廣應(yīng)用.該換熱器改善了管殼式換熱器的流體分布和溫度分布，消除了殼程滯流區(qū).現(xiàn)在折流桿換熱器廣泛應(yīng)用于單相、沸騰和冷凝各種工況.它可采用外導流筒結(jié)構(gòu)，最大限度地消除管殼式換熱器擋板的傳熱不活躍區(qū)，增加了單位體積設(shè)備的有效傳熱面積.目前。應(yīng)用的浮頭式折流桿管殼換熱器均帶有外導流筒［13］.最近，武漢化工學院郭麗華、馮志力等對浮頭式內(nèi)導流筒折流桿換熱器進行了殼程進出口降阻試驗，目前，這種換熱器的內(nèi)導流筒結(jié)構(gòu)正在進一步探討階段.（四）強化型管殼換熱器發(fā)展方向由于強化傳熱元件的多樣性，具體應(yīng)用時，缺乏相應(yīng)的傳熱關(guān)聯(lián)式，有關(guān)強化傳熱管的流體阻力系數(shù)和傳熱準則方程都停留在經(jīng)驗或半經(jīng)驗的關(guān)聯(lián)式水平上因此，今后應(yīng)致力于強化傳熱技術(shù)的推廣和應(yīng)用，包括對實際應(yīng)用情況的傳熱關(guān)聯(lián)式的研究和提出；另一方面，應(yīng)對強化傳熱的理論和模型進行深入研究，不斷開發(fā)新的強化傳熱技術(shù).此外，強化型換熱器流體流動狀態(tài)極其復雜。存在偏流問題［14］.尤其是大型換熱器，隨之低溫度差、低壓力損失設(shè)計的增加，換熱器的偏流問題更不可忽視.總之，對強化型管殼換熱器的振動、腐蝕、結(jié)焦、清洗等問題都應(yīng)進行深入研究，以便使強化傳熱元件更加完善，并且不斷提高其傳熱效率．參考文獻[1]方運惠，童軍杰。管殼式換熱器傳熱強化及技術(shù)進展。應(yīng)用技術(shù)，2006，04(30)：49—52．[2]汪紅管殼式換熱器強化傳熱技中國石油化工集團公司730060[3]靳明聰?shù)葥Q熱器重慶：重慶大學出版社，198723[4]段春玲管殼式換熱器的強化傳熱(遼陽石油化工高等專科學校機械系，遼陽111003郭春福等管殼式換熱器傳熱強化技術(shù)進展遼寧省安全科學研究院，遼寧沈陽1100111997(5)：626?629段亞平等管殼式換熱器的換熱管強化傳熱技術(shù)淺述應(yīng)用能源技術(shù).2010(4)：12?13鄧頌九等提高管殼式換熱器傳熱性能的遺徑化學工程，1992(2)：30-36劉恒健等，管殼式換熱器管程強化傳熱技術(shù)的研究進展遼寧化工，1997(6)：39?4l洪蒙納，管殼式換熱器管程強化傳熱研究進展廣東化工2005(3)：19?23馬有福等管殼式換熱器殼側(cè)強化傳熱技術(shù)的研究與進展2005(5)：77?781陳亞平等管殼式換熱器殼側(cè)