管壳式换热器强化传热技术综述.pdf

年第?期甘肃化工专论与练述管壳式换热器强化传热技术综述汪红?中国石油化工集团公司兰州石油化工职工大学兰州?摘要本文概要介绍国内外 管壳式换 热器强化传热技术、原理、性能、适用范围及工业进展 情况。关链词管壳式换 热器强化传热技 术适用 范 围工业进 展,?一万、?随着料李枝术,的不断发展和能源问题的日益 突出,对换热器的设计要求越来越高。除了要满足一定换热量外,还要求强化传热过徨,提高换热设备的传热 能力以提高系统的热效率、爷药狡资费用、提高经济效益或满足某些特殊的工艺要求,如?快速加热、急 冷、设备微型化、高热流密度 或小温 差传热等。管壳式 换热器在石 油、化工、制药、动力、制冷、航空等领域中多 用 于各种物料的蒸发、冷凝、加热及冷却等过程。?据统计,在欧美各国换热器在现代装置中约 占设备总重的?写以上,其中管壳式换热器占?写,若计入带翅片的管式空冷器,则管式换热器要占?左右。故近年来,国内外对管壳式换热器的强化传热都非常重视,强化传热已发展成为传热学的一个重要专门领域。强化传热的途径单位时间内的换热 量?与冷热 流体 的温 差 山 及传热 面积?成正比,即?,?尸?,可见强化传热可以通过增加传热面积?、加大传热温 差 戊,提高传热系数?个途径来实现。?增加传热面积?增 加传热 面积 不 应理 解为单一扩大设备体积或台数,而应是采用致变传热表面结构或材料性能合理提高设备单位体积的传热面积,使设备高效、紧凑、轻巧。如采用螺?旋螺纹管、翅片管、波 纹管、粗糙表面管、异形管等方法都能使传热面积增加。?加大传热温差匀在考虑到实际工艺或设备是否允许的情况下,改变冷热流体温度或改变换热流体间的 流动方式 如逆 流、错流等,就可改变传热 温差 山,但这种方法受生 产 工艺、设备条件、环境条件及经济性等方面限制,实际操作时有一定局限性。?提 高传热系数?提高传热系数小的一侧传热 面之传热系数,就可使设备总传热系数大幅度提高。当今世界 上强化传热研究的重 点就是提高传热系数,有一种趋势是改善流体自身流动状态,加强湍流来实现强化传热。管壳式换热器其主要换热元件是管子,因此改变管子截面形状、改变管子表 面结构、在管内插入扰流装 置或在流体中掺入颗粒等都能改善流体自身流动状态从而达到 强化传热目的。实用强化传热技术?改善管子表面结构通过 对普通 光管滚 压制成 内外呈凹凸专论与综述甘肃化工?年第?期状的不光滑管,或者在管内外安装肋片就可制成螺旋槽纹管、横纹管、纵槽管、螺纹管、翅片管 等表面形状各异的换热管,如图?所示。?姗旋箱纹管?横纹管?单面纵格管?一令?双面纵槽管?螺纹管?翅片管图?改巷管子裹面结构?螺旋糟纹管流体流 出管壁时在管壁附近诱发螺旋流动,层流 层减薄,同时壁表面起伏强化了流体湍动加快了由壁面至流体主体的热量传递,强化了传热过 程。如果管外为蒸汽冷凝过程,螺旋槽纹就成为排泄凝液的通道,可使凹槽两 边的冷凝液减薄,从 而减少热阻,提高冷凝给热系数。上海异型钢管厂研制的螺旋槽纹管,在同样条件下的热传递量可达光管的?倍,结垢下降?。德国?公 司的螺旋槽纹管,管内传热效率明显优于光管,在?护范围内,提高传热效率?倍,当?时,提 高传热效率?一?倍?。螺 旋槽纹管可用于液一液、液一气和气一气等传热强化,且抗污垢性能好。?横纹管流体流经横纹管环槽处能频频发 生边界层分离而 产 生轴向旋涡,强 化了流体 湍动,旋涡不断生成,保持了连续而稳定的强化作用。由于旋涡主要 在管壁 处生成,对流体主体影响小,不会产生太多能耗,因而槽纹管性能优于相同规格的螺旋槽纹管。对 空气而言,槽纹管较普通光管其传热系数可以提 高?倍左右,对水而言提高?倍左右。据报道,我 国某炼油厂曾采用两台横纹管渣油?原油换热器,经过?年运转考核,总传热系数比光管提高?,传热面积增加了?倍,与光管相比,泵耗下降?,材耗下降?,投 资减少?。?螺纹管螺纹管换热器 是目前技术最成熟,应 用最 广泛的一种换热器,适用 于?丫?护?年第?期甘肃化工专论与综述一?液相?或?气相?时的众多场合,在卧式冷凝器中采用螺纹管强化冷凝有机蒸汽?螺纹管也可用于两种介质换热系数相差?倍以上,管外换热系数较 小的一侧,在有效提高传热系数的同时阻力增加 不大?另外,螺纹管还可用于 强化有相变流体的传热,一是外表面积比光管大,同时齿尖又是一个良好的排泄点,故其强化冷凝效果比光管提高?写。螺纹管总表面积为光管的?倍,而造价仅比光管高?幻。除了优良的传热和 流动特性外,螺纹管还有热补偿性能好及独特的“自洁”作用,沿轴向手风琴式的胀缩能使结在螺纹上的硬垢脱落,故很有利于 处理结垢性 的流体,据报导有些设备运行?年尚未清理。螺纹与管子构成一体,无接触热阻,强度高,耐热震和机震性强,耐蚀性好,有较好的力 学、传热、热膨胀性,寿命长,故螺纹管已广泛应用于换热器、冷却器、冷凝器、锅炉等设备中。?翅片管翅片管是一种带肋的壁面,肋的截面形状有矩形、锯齿形、三角形、?型、?型、花瓣型等,肋 对于扩展换热面积和促进湍流有显著作用。翅片管与光管相比,对凝液的滴落有利,由于管子下半部凝液顺着翅片尖端更快地滴落,可使翅片液膜减薄,热阻减小,强化了对流循环,显著提高了冷凝传热速率。华南 理工大学与合肥通用机械研究所共同研制的氟 里昂冷凝锯齿形 翅片管 并且相隔一定 间距轧制成大节距螺旋槽,实测传热系数高达?,与原使用 的螺纹管冷凝器相比传热系数提高了一倍以上,省材达?,传热面积增大?倍以上。日本日立电缆有限公 司研制的翅 片管冷凝 器,其冷凝 效率和 螺 纹管相比提高?以上,同时实验表明这种管子抗油 污能力也 比较强。翅片管换热器无论对单相对 流换热还是对相变对流换热都有很大价值,尤其是当两侧换热系数相差?倍以上,用于卧式冷凝器强化有机蒸汽 的冷凝最为优越,翅片管换热器已广泛用于制冷之动为、裱源中的冷凝器、空冷器、油冷却器。?,?纵 糟 管在立式换热器中,管子内?外?侧 开设纵槽成为单面纵槽管、双面纵槽管,槽的截面形状主要有矩 形、半圆形、?型、余弦形等多种。单面纵槽管能 强化冷凝传热?双面纵槽管管内用于强化沸腾传热,管外用于强化冷凝传热,其蒸发换热系数是光管的?倍,冷凝传热系数是光管的?倍,在具有蒸发和冷凝双相变场合中使用 双 面纵槽管更经济。纵槽管强化冷凝传热的机理?在表面张力作用下,波峰区的冷凝液被拉入波谷区,波峰区液膜变薄,由于冷凝换热系数与膜厚成反比,故波峰区冷凝速率极高,波谷区通过重力的作用排液。纵槽管强化蒸发传热机理有?种解释?泡核沸腾机理认为在表面张力作用下 因波峰区形成薄膜而强化了蒸发?卷波机理认为波纹表面的蒸发是由于液膜流动时的波动而得以强化?波谷液体循环机理认为波谷区的液体循环对蒸发换热起强化作用。立式的纵槽管主要用于低温低压有机蒸汽的冷凝换热,如烷烃类、氟利昂、天然气液化等工程领域。?管截面形状不断变化由于管截面形状不断变化引发出螺旋扁管、波纹管、缩放管、异形管等换热器。如图?所示。?螺旋扁 管瑞典?公司已经研制出多种螺旋扁管换热器,这种传热管由压扁和扭转两个过程制成,管子任意截面均为长圆形。换热器排管时有?种方案即螺旋扁管和 圆?专论与综述甘肃化工?年 第?期管 混合排列管束及纯 螺旋扁管管束,管子 的压 扁程度可由管程介质流量来决定?管程流量较低时可压得扁些,以减少流通截面积提高流速,使换热器两侧流动状态均较理想。管子截面和形状都发生了变化,因而流体也随之 不断改变方向和速度,使湍流加强,边界层减薄,传热加强。与光管相比,传热系数提高?。?。该换热器已在电站冷凝?螺旋扁管?波纹管图?管截面变化?缩放管器、纸浆液冷却器、液化石油气加热器中成功应用。?波纹管换热器波纹管换热器强化传热机理与螺旋扁管相一致,其总传热 系数可达?。?,?水一水换热?和?“?汽一水换热?,对于 其它介质,?值均较 列管式提高?倍,换 热 面 积提高?倍,而重量仅为光管 的?。波纹管能起到温 差 补偿作用,省掉壳体膨胀节?由于 温差应力的作用,换热管能自动去掉表面污垢,使管表面不易产 生污垢,具有强化传热和除垢的双重功效,且结构简单紧凑,容易制造,投资少,热率高,故广泛应用 于汽一水、水一水换热领域。?缩放管缩放管是由依次 交替 的 收缩段和扩 张段组成的波形管道,在扩张段中流速降低、静压增加?而在 收缩段中流速增加,静压减小,流体是在方向反复改变的轴向压力梯度下流动,扩张 段 产生的漩涡在收缩 段中能有效地被利用,且冲刷 了流体边界层,边界 层减薄,强化了传热。缩放管在?一?义?范 围 内传热 量较光管增 加?,适用于?较高的场合来强 化 管 内外单相 流体的传热川。由于管子的相对流线型,也适用于含有杂质的流体,该换热器已在 空气预热器、油冷却器、冷凝器、废热锅炉中广泛使用。?管 内播入物管内插入物是强化管内单相流体传热的有效方法,插人物易于 装拆,维护简便,对旧设 备的革新挖潜尤为有利。目前,管内插入物的种类较 多,如 螺 旋线、扭带、错开扭带、螺旋片,静态 混合器、绕花 丝等,如图?所示。管内插入物使流体在流动 中产生持续不断的涡流,在涡流作用下使管中心流体与管壁边界 层流体混合,改善了管内流体流 动的速度和 温度分布,减薄了滞流 层厚度,从而使转热系数提高?,且具有 除垢防垢 的作用?。?流化床换 热器该换热器 广泛适用于管程为液体的 立式换热器中。在立式管内加入一 定填充比的颗粒物,颗粒 在流体作用下产 生流态化,并不 断敲击摩擦管壁,在除垢防垢的同时强化液体湍流速度,减小滞流层厚度,传热系 数比光 滑管提高?倍。该换热器在湖南 资江氮肥厂应 用结果,每年节水?万?、节?年第?期甘肃化工专论与综述?螺旋线?扭带?绕花丝图?管内插人物电?万?,热效提高?以上?。?表面多孔管在普通金属管表面 上敷上 一 层 多孔性金属 层,形 成的表面多孔管能显著强化沸腾给热过程,如图?所示。表面上的小孔形成图?表面多孔管一?,?,曰乃?二?很多 汽化中心,大大降低 了沸腾汽化所需 的过热温度。孔穴处 一方面易形成汽泡,另一方面 汽泡长大脱离后,汽泡核心仍 留于孔穴处又长大成为第?个汽泡,如此接连不断。这些孔穴 下端相互沟通上小下大,有部分孔穴是作为 补充液体用 的,液体在孔穴 内受汽泡膨胀往复运动,故孔 穴不易堵塞。表 面多孔管主要是增加 汽化核 心和 强化对 流循环而强化沸腾传热,因而 在低温差下沸腾效 果非常好。武汉冷冻机厂生产 的表面多孔管换热器,与螺纹管换热器相比热流密度提高 了?,可节省传热面?,筒体体积也 相应缩 小?左右。?结束语强 化传热的方法还有许多,如外加电场、磁场、管表面性质处理、加入滴状冷凝促进剂等等。强化技术在强 化传热的同时也增加 了流体阻力和泵的功率消耗,在评价传热强化的效果时,需考虑的因素很多,如经济性、安全性、制造、安装、运行、维修的工艺技术等,所以在选用强 化传热方法时一定要从实际 出发,达到低成本高效益的目的。几种强化传热方法可在管内、管外根据不同的要求组合起来,其作用比单纯强化 一侧效果更好。参 考文献?褚家瑞?当代管壳式和板式换热器设备的技术进 展。石油化工设备,?,?张平亮?新型高效换热器的技术进展及其应用。压力容器,?,?吴祥生?余弦形纵向双面波纹管强化冷凝和蒸发换热的研究。石油化工设备,?,?兰 州石油机械研究所?换热器?中册?北京?烃加工 出版社,?朱聘冠?换热器原理及计算?北京?清华大学出版社,?!?一?汪红?立式换热器管程非循环液固流态化技术?兰化科技,?,?