湖南工业大学 换热器 考前复习资料.doc

防振措施
1）适当降低流速（流量↓，管间距↑）。
（2）改变管束系统的自振频率。
① 减小跨距。
②管子间插入杆状物或板条。
③增大管子的强度和刚度（如增大壁厚）。
④增大管子支承的强度和刚度（如增大折流板的厚 度、采用折流杆等）。
（3）设置消声隔板。
（4）破坏卡曼涡街的形成。
（5）设置防冲板或导流筒。
2、在内管为φ180×10mm的套管换热器中，将流量为3500kg/h的某液态烃从100℃冷却到60℃， 其平均比热为2.38kJ/kg.K,环隙走冷却水,其进出口温度分别为40℃和50℃,平均比热为4.174kJ./ （kg.℃）, 基于传热外面积的总传热系数K=2000w/m2.K,且保持不变.设热损失可以忽略。试求:
l (1) 冷却水用量；
l (2) 计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及管长。
1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7-膨胀节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺柱;15-螺母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖
强化传热的途径
1、增大传热面积
新型换热器 、小直径管 、翅片结构
2、加大平均温差 ： 逆流换热
3、提高传热系数 （有功传热强化、无功传热强化 ）
扩展表面 选用导热系数大的材料 管程分程 防止结垢并及时除垢
列管式换热器壳程强化传热技术
一、管束支撑 1 管束支撑的主要作用：支撑管束；使壳程流体产生期望的流型和流速；阻止管子发生流体诱导振动

二、空心环支撑换热器
优点：阻力小，线接触，振动小 换热性能优于折流杆（壳程提高50%）
不足：扰流作用不如折流杆；应用于硫酸行业气-气换热。
三、折流杆换热器
折流杆换热器优点：
抗振性能强、流动阻力小、不易结垢、传热性能好、表面温度均匀。
折流杆传热器的主要不足：
杆的扰流功能较弱，因而在较低Re下换热器的总传热系数较小，管束与壳体之间存在的环隙形成无效传热的泄漏流。在低Re数值、高黏度介质中很难形成有效卡门涡街，达不到高传热效率的要求。
四、螺旋折流板换热器
优点：
1）、横向折流变为螺旋折流，连续平稳螺旋流动，阻力低；
2）、径向截面上速度梯度形成径向湍流，减少死区，缓垢，强化传热；
3）、壳程冷凝换热时，对冷凝液起到引流作用；
4）、对管束的约束强于折流板，减少振动，延长寿命。
缺点：
不适于管外蒸发；制造困难
全螺旋支撑，穿管难度大
五、螺旋肋片支撑换热器
优点：强化传热，传热系数比光管可提高40~100%。
• 螺旋片增加了流体的流通路径，提高流速
• 螺旋片与换热管的接触相应地增加了传热面积；
• 冷凝换热时对凝结液有引流作用；
• 沸腾传热是有利于形成气泡生长的凹穴区域；
• 相邻两管螺旋折流片旋向相反，使所产生的涡旋流动的动能加强，减薄边界层，促进近壁流体和主流体的动量与质量交换。
缺点：流动阻力大
六、旋流片支撑换热器
七、管束自撑
八、整圆形孔板支撑
不足：
大圆孔无支撑作用；梅花孔传热效果最好；传热死区，结垢、缝隙腐蚀；对比折流杆，阻力较大；结构复杂、加工困难、制造成本较高。
条件：中低雷诺数、粘度不大

泡沫金属表面对流换热强化机理探讨

螺旋扁管换热器工作原理
• 在管程，流体的螺旋流动提高了其湍流程度，减薄了作为传热主要热阻的滞留内层的厚度，使馆内传热得以强化。关内螺旋流道使管程流体产生以纵向旋转和二次旋流为特点的扰流作用，这种螺旋扰流作用增加了流体的扰动程度，减薄了传热的边界层，增强了流体的混合，所提高的传热效率更高。
• 在壳程，因螺旋扁管之间的流道也呈螺旋状，流体在其间运动时受离心力的作用而周期性地改变速度和方向，从而加强了流体的纵向混合。加之流体经过相邻管子的螺旋线接触点时形成脱离管壁的尾流，增强了流体自身的湍流程度，破坏了流体在管壁上的传热边界层，因而使得壳程的传热也得以强化。因为壳程不必设置折流板，不存在流动死区，所以壳程的流动阻力较小，具有很好的自清洁作用，不易结垢。
优点 ：螺旋扁管作为一种新型高效换热元件应用于传热设备，能够显著提高传热效率，不仅提高了交换系统的经济性、可靠性和小型化水平，而且在降低工业设备投资及企业的技能降耗方面也具有重要意义。
缺点：螺旋扁管换热器的传热介质类型有待拓展，因其结构强度与承压能力，所以其应用范围也应拓展，为其设计提供理论依据
椭圆矩形翅片管的强化传热
椭圆矩形翅片管与圆管相比，流动阻力小，传热系数大。在相同的截面下，椭圆管的传热周长比圆管大，因此管内的热阻小，有利于管内介质的传热；同时，在相同的截面下，椭圆管的传热面积比同样截面的圆管大一些，因此在相同流速下，管外换热面积可提高一些。椭圆矩形翅片管可以布置得紧凑，它占风道的面积仅为圆管的80%。
椭圆矩形翅片管的优点
l 矩形翅片上开有扰流孔，它可以使横掠气流扰动，从而减薄管壁及翅片上的边界层，能强化管外侧的换热。
l 椭圆矩形翅片管顺着流动方向刚性好，垂直于流动方向又有一定的柔性，在横掠气流中诱导振动的振幅小，抗热应力的能力强。
l 由于椭圆套矩形翅片后，整体热浸锌，翅片呈 L 型，与椭圆管接触面积大，加上浸锌后，锌填充在翅片和椭圆管之间，既增加了椭圆管的承压性，又消除了接触热阻，使翅片管的传热性能大大改善。
l 由于整体热浸锌，椭圆翅片管抗腐蚀的能力强，能够在较恶劣的工况下长期工作。
l 由于采用钢管和矩形钢翅片，管组强度高，冷却器能用高压水冲洗。
带限位铰链刮板装置的旋转式薄膜蒸发器及原理
• 原理：刮板被安装在挡板上，由于受中心轴的离心力的作用而沿径向甩向蒸发器筒体内壁面，同时这种连续的刮动，使物料在蒸发壁面上成膜状湍流状态，极大地提高了传热系数，同时这种连续的刮动，有效地抑制物料的干燥、干壁和结垢现象。
缩放管换热器研究
它是在传统的管壳式换热器的基础上，使用强化传热管（缩放管）取代了传统的光管，使流体在管内外形成充分湍流，强化管内外气流的传热效果，
缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成，
使流体始终在方向反复改变的纵向压力梯度作用下流动。扩张段产生的剧烈漩涡在收缩段可以得到有效地利用，收缩段还可以起到提高边界层速度的目的。实验表明，缩放管在大雷诺数下操作特别有利。该性质正好与纵流式管束支承物的特点相适应。在同等压力降下，缩放管的传热量比光管增加70%以上。缩放管的形状为相对流线型，因而流动阻力比横流槽管小，更适合低压气体和肮脏流体的传热。

中空立交盘的原理
圆管内传热又分为焦层，边界层和主流体三部分，其中热阻主要集中在焦层和边界层。中空立交盘就是通过减薄边界层，减缓结焦，增大传热系数来实现强化传热。根据传热理论，管内传热的阻力主要集中在管壁周围的环形边界层，提高传热强化比最有效的办法是引导流体沿特定路劲流动，即时剥除边界层。
中空立交盘将管截面分为中央区和边界区，盘上设若干个相间的中央区至边界区和边界区至中央区的通道，引导中央区和边界区流体交叉换位，宛如立交桥般。

射流冲击粗糙表面
射流冲击的特点
是流体直接冲击需要冷却或加热的表面，流程很短，而且在驻点附近形成很薄的边界层，因而具有极高的传热效率。
板翅式换热器的特点
• 1）传热效率高，由于翅片对流体的扰动使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于隔板、翅片很薄，具有高导热性，所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率。
• 　　（2）紧凑，由于板翅式换热器具有扩展的二次表面，使得它的比表面积可达到1000㎡/m3。
• 　　（3）轻巧，原因为紧凑且多为铝合金制造，现在钢制，铜制，复合材料等的也已经批量生产 。
• 　　（4）适应性强，板翅式换热器可适用于：气－气、气－液、液－液、各种流体之间的换热以及发生集态变化的相变换热。通过流道的布置和组合能够适应：逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。通过单元间串联、并联、串并联的组合可以满足大型设备的换热需要。工业上可以定型、批量生产以降低成本，通过积木式组合扩大互换性。
• 　　（5）制造工艺要求严格，工艺过程复杂。
• 　　（6）容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修很困难，故只能用于换热介质干净、无腐蚀、不易结垢、不易沉积、不易堵塞的场合。
粗糙管换热器带自旋流的研究
• 1 管内的复合强化传热
• 流体在换热器的换热流道中的流动状况可简分为两区，一是湍流中心区，二是边界区(包括流体传热滞留底层与过渡流层)。流体在光滑管中作湍流流动时，传热的热阻 80%以上集中在边界区，若采用带合理粗糙肋面的强化传热管(例如螺旋槽管、横纹槽管、缩放管、各类翅片管等)可以通过对边界层的扰动有效减少边界区的传热热阻，同时又不会增加过大的流体阻力，从而可以获得传热与流阻的综合性能评价因子[η=Nu/Nus/(f/fs)1/3，反映在同等输送功耗的条件下传热系数的增幅]大于 1将旋流片间隔安置在粗糙管中，在制作工艺上是可以实现的。在实验研究时为了便于调整管内旋流片的间距，只需将每个旋流片的两端打上细孔，并用细钢丝串联起来再插入管内即可。而在实际工业应用时可将旋流片与粗糙管一起滚扎加工成型，构成实用型复合强化传热管。

弹性管束换热器

• 弹性管束与传统的管式传热元件的结构形式完全不同，该元件在振动上表现出了更多的弹簧特征，使得持续脉动的水流能够较易地激发起振动；同时，它还有复合结构以在振动过程中具有抑制作用，使任何微小力的变化都将阻止已有频率振动的持续，而主流扰动很快将振动持续进行 这样，便会形成固定范围的低频振动，既对水流产生扰动，又不会因剧烈振动带来损坏。
• 弹性管束换热器利用换热元件的震动变形使附着在表面的积垢自动脱落，用清水清洗一下就能够完成除垢的操作。由于换热元件表面不积垢，大大增加了换热的稳定性；并且换热元件的震动变形能瞬时增加水的流速，使换热器的传热系数大大增加，从而实现换热器的复合强化传热。

刮板式换热器
这种热交换器靠近传热面处有刮板连续不断地刮扫运动，使料液成薄膜状流动。这种热交换器因此也称为刮板薄膜式热交换器，或称为刮面式热交换器。刮板用定位销悬挂在定位销上，轴高速旋转时，由于离心力和流体阻力使其与壁面紧贴，连续刮掉与传热面接触的料液覆盖膜，不断的清结传热面让新的料液再与传热面接触，从而提高传热效率，加热蒸汽或冷却水在夹套内流动，输送泵将料液充满并流过物料桶与搅拌轴间的环形通道，两流体逆行流动并通过物料桶壁进行热交换。料液在物料桶内流动的通道约占物料桶截面积的20%-40%
主要优点： 1传热效率高 ； 2结构紧凑 ； 4适用于热敏物料 ； 5卫生条件可靠； 6尤其适用于粘度大流动慢的流体 。
主要缺点：
1、密封周边长，需要较多的密封垫圈，且垫圈需要经常检修清洗，所以易于损坏。
2 、刮板式热交换器不耐高压，且流体流动的阻力损失较大。
螺旋槽管机理
— 降低层流层热阻的最佳途径是改变其流动状态，使壁面流体的流动方向不断变化，采用螺旋槽管取代光壁管正式为了满足这种工艺需要。由于螺旋槽管外壁形成凹槽，内表面形成凸起，内壁凸起的凸台使得过渡区的层流在凸起的地方形成纵向涡流，该涡流使凸起的部位的层流介质受到附加的扰动，变成紊乱的湍流状态。这样当流体流经下一个凸起部位时又产生新的涡流，且该涡流流动方向始终垂直于层流介质的流动方向，就使得过渡区的流动状态得以改变，热阻变小，传热效率提高。同理，外壁介质流经凹槽时，也同样产生一个纵向涡流且方向始终垂直于层流流动方向，使层流层受扰而变成湍流状态，提高传热速率。因此，管壁螺旋槽能在有相变和无相变的传热中显著提高管内外的传热系数，起到双边强化的作用。
螺旋折流板
螺旋折流板的特点
传热性能好
抗振性能好
防止结垢性能好
电场强化传热
电场强化传热主要是通过产生电晕风，使流体产生剧烈的扰动，从而加强对流传热效果。
ß 影响因素 电压大小 流体的流型 电极的布置方式 电极与电极板的距离
热管：热管技术充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力
热管式换热器
通过换热器的中间隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时基本不影响换热器运行。用于易然、易爆、腐蚀性强的流体换热场合具有很高的可靠性。 　　2、冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的逆流换热。冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，用于品位较低的热能回收场合非常经济。 　　3、对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过结构的变化、扩展受热面等形式解决换热器的磨损和堵灰问题。 　　4、热管换热器用于带有腐蚀性的烟气余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。
缺点：
1、达到温度最佳回应条件还未实现到，国内的热管管材还不成熟；
2、换热设备投资成本相对高，尤其是热管的生产成本；
3、国内的热管换热器还没有得到真正的标准化定义与模式
4、目前的热管还未完善化，对管质上的标准还未得到最新的技术，从而导致热管换热产品寿命短

蒸发过程温度差损失的原因：
（1）溶液的饱和蒸汽压下降（溶质）；
（2）加热管内液柱静压强；
（3）管路流体阻力（多效蒸发）