强化换热.doc

强化传热技术综述
理工学院 装控L081 康世雄 08L0503121
1 绪论
随着现代工业的迅速发展,以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧,节能是非常重要的,也是当务之急,世界各国都在寻找新能源和节能新途径。换热器作为换热设备,广泛应用于冶金、化工等各个工业领域中,强化传热技术的应用不但节能环保,而且节约了投资和运营成本,所以,换热器的强化传热技术一直以来都是一个重要课题,受到研究人员的重视,各种研究成果不断涌现。
当今世界，由于工业，经济的巨大发展，世界各国普遍面临着能量短缺问题，开发新能源以及如何高效利用现有能源得到了世界各国的普遍关注。由于换热设备在工业生产中的广泛应用，提高换热器效率，研究强化换热的新技术成为人们日益关注的传热学新课题。(强化换热的方法及新进展)
换热器是种类繁多，广泛应用于石油化工、冶金、电力、造纸、船舶、机电、分区供热、暖通空调、余热利用、核工业、食品饮料、医药纺织等工业领域。据资料统计，在现代石油化工企业中，换热器的投资约占装置建设总投资的30%~40%，在合成氨生产中，换热器约占全部设备总台数的40%，世界各国不断地从事着对新型高校换热设备的研究，以期提高热能利用率，不断降低对天然能源的消耗，因此换热器在减少企业的建设投资和提高企业的经济效益方面具有不可忽视的重要影响。要达到此目的，就迫切需要研究各种高效能紧凑节能型的换热器。(强化传热节能技术的研究)
随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重, 必然带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用, 有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达96%, 换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的35% ~ 40% 。其中管壳式换热器仍然占绝对的优势, 约70% 。其余30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管和蓄热器等设备, 其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。随着工业装置的大型化和高效率化, 换热器也趋于大型化, 并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。当今换热器的发展以CFD ( Computational Fluid Dynamics) 、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。(国内外新型高效换热器)
2 国内外发展概况
2.1 国内
为了提高换热器的换热系数，强化传热效率，国内外出现了多种强化原件和强化措施，主要包括在换热器中使用螺旋槽管(图1)、横纹管（图2）、缩放管、波纹管（图3）等扩展表面的方法。另外，在利用处理表面法、粗糙表面法的强化传热技术方面也有了一定的研究。

目前较为新型高 效的两种换热器热板式换热器和热管式换热器分别以热板和热管为传热基本单元。前者利用点焊或滚焊将双层或多层金属板焊成各种图形（图 4），边缘密封，再高压充气完成空间流道，传热效率高，阻力小，可用于加热保温干燥冷却等多种化工过程，前景十分广泛。后者利用真空管中工作液的汽化冷凝过程传热，使之能在较小温差下传递大量的热量。
在处理表面技术上，大连理工大学采用磁控溅射离子镀铬的方法处理钢管，使传热系数提高40%以上。华南理工大学进行过粗糙表面法实验，也得到了换热器优化的几何尺寸。
2.2 国外
早在1916年，英国学者Chubb就提出了电场强化传热的理论。但长时间内没有引起人们的重视。近年来，一些发达国家，开展的EHD强化沸腾传热研究取得了很大的发展，但也尚未真正应用于工程实践。
EHD技术，即电气流体力学技术，又称电场强化冷凝传热技术，进一步强化了对流、冷凝和沸腾传热，特别适用于强化冷凝传热，并适用于低传热介质的冷凝，因而引起人们的普遍关注。其原理是，接冷凝液表面的张力作用和在静电场下液膜的不稳定现象使液膜厚度减薄，从而强化冷凝传热。其所需电厂好用的电力很小。
EHD(Electro-hydrodynamics)电流体动力学强化传热是在流体中施加高压静电场，利用电场、流场和温度场的相互耦合作用，而达到强化传热的一种有源强化方法。早在1916年，英国学者就发现在流体中施加电场能够强化传热，但此后40多年，该项技术并未受到注意和重视。近年来，由于余热利用、高效暖通空调系统、海洋能和地热能开发中x,lJl,温差传热的要求，加上EHD强化传热具有效果显著、功耗低、易于控制表面热流等一系列优点，其研究逐渐受到重视。对EHD强化传热的研究主要从以下3个方面进行：(1)试验确定换热系数与外加电场的关系；(2)从流体在电场中的受力角度进行理论分析；(3)应用数值模拟对EHD强化传热进行研究。目前EHD强化传热研究处于以实验积累数据为主的研究阶段。研究认为，外加高压电场可以引起加热表面附近介电流体的附加运动从而影响介电流体的传热，换热器传热系统较易进人混沌，从而强化了传热。（强化传热技术及其应用）
在该领域，国内研究才刚刚起步。在液体中加一静电场以强化单向流体的对流换热量是一种有吸引力的强化换热方法。这种方法对气体和液体的自然对流和强制对流都产生一定的强化传热效应。

3 强化传热的途径
传热的基本方式有传导、辐射和对流3种, 在实际工程中的换热过程往往是3种传热方式的结合使用。增强传热系数、增大传热面积、加大平均温度差是强化传热的三种途径，其中增强传热系数是当今强化传热的重点。（管壳式换热器的换热管强化换热技术浅述）
3.1增强传热系数（K）
增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。
换热器传热系数（K）的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定，换热器传热过程中的总热阻越大，换热器传热系数（K）值也就越低；换热器传热系数（K）值越低，换热器传热效果也就越差。
换热器在使用过程中，其总热阻是各项分热阻的叠加，所以要改变传热系数就必须分析传热过程的每一项分热阻。如何控制换热器传热过程的每一项分热阻是决定换热器传热系数的关键。
上述三方面增强传热效果的方法在换热器都或多或少的获得了使用，但是由于扩展传热面积及加大传热温差常常受到场地、设备、资金、效果的限制，不可能无限制的增强，所以，当前换热器强化传热的研究主要方向就是：如何通过控制换热器传热系数（K）值来提高换热器强化传热的效果。我们现在使用最多的提高换热器传热系数（K）值的技术就是：在换热器换热管中加扰流子添加物，通过扰流子添加物的作用，使换热器传热过程的分热阻大大的降低，并且最终来达到提高换热器传热系数（K）值的目的。（换热器的强化换热）
3.2采用高效能的传热面, 增大传热面积A
为了加大传热面积A而增加换热设备体积，会给制造、安装、操作带来困难，显然不是最佳方案。应提高换热器的紧凑性，用最少的材料取得最大的传热量，即增加单位体积设备的有效传热面积。其主要措施: 合理布置受热面，扩大热传递面表面，采用紧凑式换热器，提高原有热传递表面。（强化传热的途径及优化设计）
3.3加大平均温差
增大传热温差的方法有两种。一是提高热流体的进VI温度或降低冷流体的进口温度；二是通过传热面的布置来提高传热温差。当冷热流体顺流流动时，其平均温差最小，当冷热流体逆流流动时，其平均温差最大。平均温度差的大小主要取决于两流体的温度条件和两流体在换热器中的流动型式。一般来说，物料的温度由生产工艺来决定，不能随意变动，而加热介质或冷却介质的温度由于所选介质不同，可以育很大的差异。但需指出的是，提高介质的温度必须考虑到技术卜的可行性和经济上的合理性。另外，采用逆流操作或增加管壳式换热器的壳程数，均可得到较大的平均温度差。（强化传热技术及其应用）
4 换热器强化传热技术及进展
4.1管程强化传热技术
4.11螺旋槽管
螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凸的异形管，管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数，起到双边强化的作用。美国、英国、日本从1970年至1980年间对螺旋槽管进行了大量的研究。华南理工大学、北京理工大学和重庆大学也对螺旋槽管进行试验研究，而且都取得显著的成效。此外，研究还表明单头螺旋槽管比多头螺旋槽管的性能好。目前，无论是从传热、流阻、结垢性能，还是从无相变对流换热和有相变凝结换热，对螺旋槽管的强化传热研究从理论到实际已达到较高水平。进一步结合计算机软硬件的发展，对螺旋槽管在不同场合传热的模拟和仿真，找出具有较大通用性的关联式以及优化螺旋槽管的结构尺寸将是今后研究的方向。（换热器研究现状及发展趋势）
螺旋槽纹管管壁是由光管挤压而成, 有单头和多头之分, 其管内强化传热主要由两种流动方式决定: 一是螺旋槽近壁处流动的限制作用,使管内流体做整体螺旋运动产生的局部二次流动;二是螺旋槽所导致的形体阻力, 产生逆向压力梯度使边界层分离。螺旋槽纹管具有双面强化传热的作用, 适用于对流、沸腾和冷凝等工况, 抗污垢性能高于光管, 传热性能较光管提高2~ 4倍。（管壳式换热器节能技术综述）
螺旋槽纹管管壁是由光管挤压而成, 有单头和多头之分, 其管内传热强化主要有两种流动方式起决定作用: 一是螺旋槽近壁处流动的限制作用, 使管内流体做整体螺旋运动来产生局部二次流动; 二是螺旋槽所导致的形体阻力, 产生逆向压力梯度使边界层分离。螺旋槽纹管具有双面强化传热的作用, 适用于对流、沸腾和冷凝等工况, 抗污垢性能高于光管, 传热性能较光管提高2~ 4倍。华南理工大学和重庆大学经试验研究及理论推导, 得出了单头螺旋横纹管比多头螺旋横纹管的性能好。德国Hde 公司的螺旋横纹管, 管内传热效率明显优于光管, 当200< Re< 1500 时, 提高传热效率2.0~ 22倍。（强化传热技术与新型高效换热器研究进展）
4.12横纹管
横纹管强化机理为: 当管内流体流经横向环肋时, 管壁附近形成轴向漩涡, 增加了边界层的扰动, 使边界层分离, 有利于热量的传递。当漩涡将要消失时流体又经过下一个横向环肋, 因此不断产生涡流, 保持了稳定的强化传热作用。研究和实际应用证明: 横槽纹管与单头螺旋槽纹管比较, 在相同流速下, 流体阻力要大一些, 传热性能好些, 其应用场合与螺旋槽纹管相同。（管壳式换热器节能技术综述）
1974年前苏联首先提出横纹管，它是一种用普通圆管作毛胚，在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管内形成一圈突起的环肋。其强化机理为：当管内流体经横向环肋时，管壁附近形成轴向漩涡，增加了边界层的扰动，有利于热量通过边界层的传递。当涡流即将消失时，流体又流经下一个横肋，不断产生轴向涡流，因而保持连续且稳定的强化作用。横纹管主要用来强化管内单相流体的传热，华南理工大学经研究发现，在相同流速下，横纹管流阻比单头螺旋槽管的小。（换热器研究现状及发展趋势）
横纹管的强化机理为: 当管内流体流经横向环肋时, 管壁附近形成轴向漩涡,增加了边界层的扰动, 使边界层分离, 有利于热量的传递。当漩涡将要消失时流体又经过下一个横向环肋, 因此不断产生涡流, 保持了稳定的强化作用。近年来, 华南理工大学与桂林化机厂合作, 将在相同管内流速下传热效率优于螺旋槽管的横纹管折流杆换热器在云南某化肥厂投入工业运行, 取代了原有的DN2400 列管式折流板主热交换器, 使设备投资节省1/ 3, 取得了良好的经济效益。横纹管折流板换热器融合了折流杆换热器技术与横纹管强化传热技术, 是一种高效换热器。（强化传热技术与新型高效换热器研究进展）
4.13缩放管
缩放管是由依次交替的多节渐缩段和渐扩段构成。其传热机理为：缩放管通过壁面缩放，使流体
压力发生周期性的变化产生剧烈的漩涡冲刷流体边界层，使其减薄,壁面缩放还促进了流动粘性底层之外与传热粘性底层内的流体速度场与温度梯度的协同，增加了传热系数。
研究表明，缩放管收缩段的平均换热能力比较大，扩张段的局部换热系数呈下降趋势，其原因是在扩张减速段的流体流动有弱化传热的作用，而在收缩加速段的流体有强化传热的作用，现有缩放管结构中扩张段与收缩段的长度在总肋间距中各占一半，因扩张段所占比例较大，故流体流动对传热的弱化作用明显，使总的传热效率不够理想。为了优化其结构，可以增加收缩段所占比例，相应减少扩张段的长度，并在缩放连接处采用平直链面连接方式，以减小流体阻力。（管壳式换热器节能技术研究）
缩放管是由多节交替的收缩段与扩张段构成的波形管道，其结构见图4。根据收缩段和扩张段是否对称分为对称缩放管和非对称缩放管两种。
缩放管强化传热的机理是：在扩张段流体速度降低，静压增大；在收缩段流体速度增加，静压减小；流体在方向反复改变的轴向压力梯度作用下流动。在扩张段，流体产生剧烈的漩涡，并在收缩段中得到有效的利用且冲刷了流体的边界层，使边界层减薄，从而强化了传热。缩放管可以强化管内、管外单向流体的传热，尤其适用于雷诺数较高的场合。很多学者对缩放管的传热与流阻性进行了
试验和工业应用研究，结果表明，在同等的流阻损失下，其传热量较光滑管提高70％。（管壳式换热器强化传热技术进展）
4.2壳程强化传热技术
4.21折流杆式支撑
由排布的支撑杆和其它元件形成折流栅代替折流板而使流体在壳程形成一系列折流，这样既可以防振，还可以增加流动介质的湍流度、提高管间传热系数。折流杆式管壳式换热器的压力降很低，不到弓形折流板管壳式换热器的1／4，传热系数则为后者的1．3～2．4倍。已经试制的气一气折流杆式管壳式换热器在应用中获得了较为令人满意的效果。（管壳式换热器强化传热技术进展）

4.22螺旋折流板支撑
螺旋折流板使流体在壳程作螺旋运动，在流道内流动长度增加且流动平滑，因而在流道中流速和压差分布比较均匀。螺旋折流板管壳式换热器具有以下优点：a．支撑物和管束或壳壁之间的泄漏流、旁路流及返混现象大大减少；b．流动死区基本消除，使得壳程污垢面积大大减少，总体上减少了滞留区而增加了湍流度，提高了壳程的传热系数并降低了系统压力降；c．螺旋折流板支撑能增强管束的稳定性，防止振动。
试验结果表明，与相同工况下的直流挡板管壳式换热器相比，螺旋折流板管壳式换热器壳程努塞尔数可提高49．4％ ，加人多孔介质后壳程努塞尔数可提高79．5％。（管壳式换热器强化传热技术进展）

4.23空心环网板支撑
空心环管壳式换热器是将小直径金属短管(即空心 环)以一定间隔布置在换热管束同一截面上以替代折流栅，从而支撑管束并促进流体扰动。空心环支撑往往与强化管组合使用，如缩放管、低肋管、花瓣管等，强化流体纵向冲刷时的
对流换热。空心环换热器壳侧空隙率大、压降小，可使壳侧流体的大部分输送功作用在强化管的粗糙表面上来促进近壁流体湍流，降低传热热阻，达到强化传热的目的。
空心环支撑的扰流作用不如折流杆支承，而且管束固定工艺相对
较复杂。（管壳式换热器节能技术研究）
空心环由直径较小的钢管截成短节而成，均匀地分布于管间的同一截面上，与管子呈线性接触，使管束相对紧密固定。采用空心环网板取代折流板作管间支撑物，可以大幅度减少气体在壳程作反复折流而损失的流体输送功，依靠增加管间气速提高管外传热系数，达到流体输送功的最佳利用。在这种壳程结构中，流体在非传热界面的区域如管间支撑物的局部区域，形体阻力损失较小，而较大部分的流体压力降可以有效地利用于促进传热管表面的流体湍流，减薄滞留底层的厚度，从而能以较低的流体输送功获取较高的传热系数。
在相同的壳程压力降下，空心环管壳式换热器的壳程传热系数可比传统的单弓形折流板管壳式换热器提高约100％ ，而与近年来国外一些先进换热器如碟一环形折流板管壳式换热器相比，壳程传热系数可提高50％ 以上 。实验室与工
业化研究的结果表明，在同等壳程压力降条件下，采用缩放管时，空心环管壳式换热器比折流板管壳式换热器壳程传热系数可提高50％ ～80％ 。华南理工大学邓先和教授等开发的空心环急扩加速流缩放管管壳式换热器已广泛应用于硫酸厂转化工序。（管壳式换热器强化传热技术进展）
5 发展展望
目前运用于强化传热的最新技术有以下几方面：a．运用计算机技术建立流体的流动和热传递模型，并进行计算机模拟和仿真，从而对流体的流动区域和热传递的分布进行更详细预测的计算流体力学(CFD)；b．用于管壳式换热器设计和选型，以辅助设计者对流体流径、壳体及浮头类型、换热器结构尺寸、折流板类型和换热器整体布置等问题进行决策的专家系统；e．用于整体装置设计的数据库技术。（管壳式换热器强化传热技术进展）
目前，换热器是研究正向着高传热系数、低压力损失和高紧凑度方向发展。加强力度开发传热系数高的金属材料（如石墨）等以及非金属材料是一个比较可取的研究方向。国外专利新近提出用比硅胶便宜的三元乙丙橡胶为主体胶料，而散热填料用石墨，并加入钛系偶联剂合成的材料，其传热效果较好。还有学者提出通入惰性气体来强化传热，已有实验证明该方法在一定范围内的实用性。
目前有学者在以微细通道内对流换热与沸腾的尺度效应为课题的研究中，对经典传热传质理论提出挑战，形成朝微/纳尺度特殊传热传质现象研究的崭新科学前沿。该项目主要研究5~1000微米量级通道内液体对流雨沸腾传热特性，探析揭示尺度微细化产生的传热现象与规律变异，尝试为利用微细通道强化传热及其他应用提供基础数据和理论数据，内容包括微细通道内液体流动与对流换热；沸腾传热和沸腾核化；微尺度沸腾核化与气泡动力学特性探析。该方向的研究五一为传热技术的新发展和新型高效换热器的诞生展开了新的理论铺垫。

6 结论
强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是采用强化传热元件，改进换热器结构，提高传热效率，从而使设备投资和运行费用最低，以达到生产的最优化。管壳式换热器在硫酸厂已应用多年，其结构也由原来折流板光滑管管壳式换热器发展到目前节能、高效的旋流网板急扩加速流缩放管管壳式换热器，随着技术的不断进步，更加节能、高效的管壳式换热器今后将在硫酸行业得到推广应用。（管壳式换热器强化传热技术进展）
（1）国内外具有强化传热功能的新型的换热器，都有其自身特点，但目前还没有被广泛接纳、应用，其原因在于这些新型换热器的设计理论还有待进一步深化。
（2）在选择强化传热方法时，应从实际出发，通过对现场工况条件、加工、制造工艺和综合技术经济比较，根据实际情况来选择换热元件、换热方式、添加剂等，从而有利于设计出新型换热器。
（3）应结合换热器的使用特点，积极开发研究一种新型高效的节能技术，使之能在强化传热过程中得以普遍推广，推动工业节能走入新的发展阶段。
强化传热对石油化工行业节能有着重大意义。采用各种节能技术高效换热器不仅能够提高能源效率，而且结构紧凑，可减少金属材料消耗。高效换热器作为一种节能设备得到政府的高度重视，应将换热器的节能技术与企业的应用结合起来，是各种形式的高效换热器得到大面积的推广，把石油化工行业的节能减排工作落到实处。
参考文献
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