強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展

強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展

1管殼式換熱器的傳熱方式20世紀(jì)70年代，世界能源危機(jī)機(jī)有效地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。世界上主要工業(yè)國都在20世紀(jì)70年代開始了強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究開發(fā)工作。迄今為止,強(qiáng)化傳熱技術(shù)在石油、化工、動(dòng)力、核能、制冷、乃至國防工業(yè)等領(lǐng)域中己得到廣泛應(yīng)用。傳熱強(qiáng)化的途徑主要有:增大傳熱面積、提高傳熱系數(shù)。強(qiáng)化傳熱技術(shù)按照有無外加動(dòng)力可分為主動(dòng)強(qiáng)化傳熱(有源強(qiáng)化)和被動(dòng)強(qiáng)化傳熱(無源強(qiáng)化)兩種。主動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)由于受到外加動(dòng)力限制,工程中主要采用被動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)。換熱器作為能量傳遞的基礎(chǔ)設(shè)備,廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金等高耗能行業(yè)。如在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的40%,占總投資的30%～45%。管殼式換熱器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,具有高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性,目前工業(yè)裝置中管殼式換熱器的用量占全部換熱器的70%。換熱管是管殼式換熱器的關(guān)鍵傳熱元件,其性能的好壞決定了換熱器的性能。為了提高管殼式換熱器的傳熱效率,國內(nèi)外先后開發(fā)了多種強(qiáng)化管內(nèi)和管外傳熱的強(qiáng)化換熱管。這些強(qiáng)化傳熱管的型式雖然多種多樣,但都是在管的內(nèi)外表面加工出一定的表面結(jié)構(gòu),以擴(kuò)展傳熱面或提高傳熱系數(shù),從而提高傳熱效率。強(qiáng)化傳熱管按表面結(jié)構(gòu)的不同,可分為二維外翅片管、異形強(qiáng)化管、內(nèi)翅片管、表面多孔管、三維非連續(xù)翅片管等。其強(qiáng)化傳熱機(jī)理各異,加工方法亦不相同。2加強(qiáng)熱管表面功能結(jié)構(gòu)的制造(1)繞片式翅片管加工技術(shù)二維外翅片管加工方式主要有套片、繞片、滾軋、切削加工等。套裝翅片管是應(yīng)用最早的一種加工翅片管的方法,如圖1所示,預(yù)先用沖床加工出一批單個(gè)的翅片,然后按一定距離,靠過盈量將翅片套裝在管子外表面。套裝翅片工藝簡(jiǎn)單,技術(shù)要求不高。但翅片與管子之間的結(jié)合靠過盈量來保證,接觸不好,熱阻大。繞片式翅片管如圖2所示,把鋁帶、銅帶或者鋼帶的平面垂直于管子軸線,以螺旋的形式纏繞在管子外表面上。繞片式翅片管關(guān)鍵在于如何保證翅片與基管接觸良好。為了保證翅片與基管接觸良好,采用鑲嵌、釬焊、高頻焊等方法。鑲嵌式螺旋翅片管是在基管上預(yù)先加工出一定寬度和深度的螺旋槽,然后把帶材鑲嵌在基管上。帶材纏繞總會(huì)有一定的回彈,因此,翅片和螺旋槽底面不能很好結(jié)合。釬焊螺旋翅片管則是用釬焊的方法將纏繞好的翅片和管子焊在一起,此種方法翅片與管子間的結(jié)合率仍然不高。高頻焊螺旋翅片管是在帶材纏繞基管的同時(shí),利用高頻電流對(duì)翅片和基管外表面加熱熔化而焊接。與鑲嵌、釬焊等方法相比,無論是在產(chǎn)品質(zhì)量還是生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度上,高頻焊都是最為先進(jìn)的,但高頻焊投資大,耗電量大。滾軋式翅片管一般由銅、鋁坯管,通過冷擠壓的方式軋制出整體翅片,還可滾軋復(fù)合管翅片管。一般常用的復(fù)合管材翅片管其基管(即內(nèi)套管)采用的是碳鋼、不銹鋼、鈦材、銅材等,外套管常用鋁管和銅管,這樣經(jīng)過滾軋擠壓成形后就形成所需的復(fù)合翅片管,如圖3所示。滾軋式翅片管為整體結(jié)構(gòu),不會(huì)產(chǎn)生接觸熱阻和出現(xiàn)電腐蝕現(xiàn)象,使用壽命長(zhǎng)。因此,滾軋式翅片管已逐漸取代繞片式和套片式翅片管。有學(xué)者提出利用切削—擠壓加工方法加工二維整體外翅片管。加工時(shí),刀具的主切削刃切開基管的表層金屬不斷滑過刀具前刀面,逐漸翻轉(zhuǎn)直立,最終通過副切削刃的擠壓而發(fā)生塑性彎曲,形成高于基體的螺旋翅片結(jié)構(gòu),如圖4所示。(2)螺旋槽及其擴(kuò)展管型各種異形強(qiáng)化管的結(jié)構(gòu)不同,但都是將管壁沿軸向制成波紋或螺旋凹槽,主要有螺旋槽管、橫紋管、旋流管、波紋管等。圖5是螺旋槽及其擴(kuò)展管型示意圖。傳熱面上各種形狀的凸起,既是無源繞動(dòng)的促進(jìn)體,又能斷續(xù)阻斷邊界層的發(fā)展。螺旋槽管屬冷軋成型,利用軋刀在光管上軋制出管外凹入、管內(nèi)凸出的連續(xù)螺紋。(3)強(qiáng)化傳熱膜系數(shù)加工當(dāng)今,在國外有30%的制冷與空調(diào)管采用了內(nèi)微翅管(見圖6),翅高0.1～0.2mm,翅數(shù)50～60。該管具有高的強(qiáng)化傳熱膜系數(shù),包括蒸發(fā)、沸騰和冷凝,特別是蒸發(fā)過程,壓降甚低。內(nèi)微翅管與光管相比,強(qiáng)化傳熱可達(dá)80%～140%,而壓降只增加20%～80%。內(nèi)螺旋翅片管加工原理圖如圖6所示。利用旋壓體沿管外壁旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng),在特殊設(shè)計(jì)的旋壓腔內(nèi),通過充液循環(huán)供油及增大旋壓體沿管外壁的旋轉(zhuǎn)速度建立所需的高壓油膜,利用極高的油壓使被加工管坯擠壓成形。(4)機(jī)械開孔多孔管法多孔表面主要用于強(qiáng)化沸騰傳熱,其制造方法主要可分為兩類:多孔覆蓋表面和開孔多孔表面。多孔覆蓋表面是在換熱表面上加一層多孔覆蓋物,作為覆蓋層的材料可以是銅、鋁、不銹鋼和其它合金,制造方法有金屬粉末燒結(jié)法、火焰噴涂法、電鍍法、覆蓋金屬絲網(wǎng)法等。開孔多孔表面主要是指機(jī)械加工表面多孔管,在專用機(jī)床上用特殊設(shè)計(jì)的刀具在金屬管(一般為銅或鋁等易加工金屬)外表面直接加工出各種形狀的翹片、小孔隙及各種形狀的螺旋形隧道,或在金屬管內(nèi)表面拉制出V形等軸向溝槽;也可用軋制或滾壓法在金屬管外表面直接加工出具有低螺紋形翅片、低肋形翅片或各種形狀的表面花紋管。圖7是常用的所謂E管和T管的結(jié)構(gòu)示意圖。機(jī)械加工法成本較低,加工簡(jiǎn)單,但只適用于軟金屬管材,制造的多孔層孔隙率為30%～35%。相對(duì)其它制造方法其成型的多孔層孔徑大,在表面張力較小的介質(zhì)中使用效果不明顯。(5)焊接式三維翅片管三維非連續(xù)翅片管比二維連續(xù)翅片管具有更不規(guī)則的擴(kuò)展表面,流體流過時(shí),邊界層得到不斷的反復(fù)破壞,使傳熱系數(shù)得到進(jìn)一步的提高。近幾年來,在工程中三維強(qiáng)化傳熱管得到了迅速發(fā)展和廣泛研究。三維非連續(xù)翅片管按照加工方式可分為焊接式和整體式兩種。圖8a、圖8b分別是瑞典Sunrod公司研究開發(fā)的太陽棒針翅管和Durst提出的釘翅管,均屬焊接式三維翅片管。焊接式采用焊接方法將翅片焊接在基管上,加工麻煩,對(duì)翅片的大小及排列密度有諸多限制;翅管體積龐大、不緊湊,金屬消耗量大;針翅與基管之間存在接觸熱阻;易出現(xiàn)虛焊或接觸不緊密。整體式三維非連續(xù)翅片管是在基管上直接加工出三維獨(dú)立的翅片。圖9是三維整體低翅片管,利用滾壓/犁削復(fù)合加工方法加工,又名花瓣形翅片管。該翅片管最大的特點(diǎn)是翅片從翅頂?shù)匠岣急桓盍验_,翅片側(cè)面呈一定的弧線,管外的翅片結(jié)構(gòu)有規(guī)則地間斷。整體式翅片管結(jié)構(gòu)緊湊,極大地降低金屬消耗量,并可消除翅片與基管間的接觸熱阻,符合換熱器緊湊、高效、節(jié)能、節(jié)材的發(fā)展要求。但是,三維整體低翅片管也存在某些不足,如用于冷凝強(qiáng)化時(shí),在翅片間易出現(xiàn)冷凝液架橋現(xiàn)象,此時(shí)擴(kuò)大的傳熱面將會(huì)無效。因此,三維整體低翅片管面臨著如何進(jìn)一步提高傳熱效率的問題。3第三代傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱的國際權(quán)威Bergles將被動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)劃分為三代,對(duì)換熱管而言,以光管、光通道為代表的為第一代傳熱技術(shù),以平翅片、二維粗糙元、二維肋片等為代表的為第二代傳熱技術(shù),以三維粗糙元、三維微肋等為代表的為第三代傳熱技術(shù)。Bergles指出,第二代傳熱理論和技術(shù)已經(jīng)建立,并在動(dòng)力和過程工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用,現(xiàn)在需要的是更先進(jìn)的強(qiáng)化技術(shù)或第三代傳熱技術(shù)?？梢?研究和發(fā)展第三代傳熱技術(shù),已成為強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域的發(fā)展方向。此外,國內(nèi)外針對(duì)強(qiáng)化傳熱管表面功能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和加工技術(shù)雖然進(jìn)行了大量的研究工作,但研究工作比較分散,缺乏較為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造理論,不能為強(qiáng)化傳熱管表面功能結(jié)構(gòu)具體應(yīng)用提供完善的理論指導(dǎo)。從目前的研究趨勢(shì)來看,按其功能要求設(shè)計(jì)表面功能結(jié)構(gòu),然后根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行制造是該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向。4強(qiáng)化傳熱機(jī)理與強(qiáng)化傳熱表面結(jié)構(gòu)的分析本文對(duì)各種強(qiáng)化換熱管表