强化传热技术及新型热交换器-课件

强化传热技术 及新型热交换器 换热器是实现热交换过程的设备。它广泛应用于电力、化工、炼油、制冷、低温、冶金、建材、环保、航天、航空、食品、轻工、医药等部门，是量大面广的通用设备。以石油化工为例，各种换热器重量占工艺设备总重的40%。在年产30万吨的乙烯装置中，各种换热器达300-500台。换热器研究进展主要反映在：（1）将壳程强化传热技术应用于管壳式换热器 （2）在换热器中采用各种异形管和异形翅片管 （3）利用诱导振动强化换热器中的换热过程 （4）将蜂窝陶瓷用于蓄热式换热器中典型两流程固定管板式管壳式换热器 管壳式换热器三流程管壳式换热器三流程管壳式换热器四流程管壳式换热器四流程管壳式换热器浮头式管壳式换热器浮头式管壳式换热器U U形管管壳式换热器形管管壳式换热器管壳式换热器典型折流板管壳式换热器有不同的管子典型折流板管壳式换热器有不同的管子排列方式。排列方式。正方形排列三角形排列三角形排列 三角形排列 强化壳程的换热的途径有两种：1、改变管子的外形或在管外加翅片，即通过管子形状和表面特性的改变来强化传热,如螺旋槽管、横纹管、外翅片管等；2、改变壳程挡板或管间支撑物，以减小或消除壳程流动和传热的滞留死区，使传热面积得到充分利用。在管壳式换热器中与管内的换热相比，壳程的换热往往要弱得多，因此强化壳程的换热就显得很重要。折流板与折流型式折流板与折流型式-1-1折流板也有不同的形式，由于折流板形式不同，壳侧折流的情况也不一样。折流板的作用：1）作为管子的支撑结构；2）使壳侧流体提高流速并横掠管束，从而强化传热。折流板的缺点：1）壳侧流动阻力大；2）存在流动死区和折流板孔隙的漏流，使实际传热效果低于理论值；3）引起诱导振动，从而导致管子断裂。漏流损失漏流损失主流壳间的间隙漏流折流板孔隙漏流1）漩涡脱落；2）紊流抖振；3）流体弹性激振。流体横掠管束引起诱导振动的原因：紊流能谱及其响应紊流能谱及其响应：流体横掠速度与振动振幅流体横掠速度与振动振幅：1）管子互相碰撞，当管子振动振幅大到足以使相邻管子经常撞击时，就会使管壁磨损变薄，直至破坏；2）管子与折流板孔壁因振动而不断撞击，从而引起管子破裂；3）振动使管子与管板连接处受到很大的应力，久而久之就造成胀接和焊接点因应力而损坏，并造成接头泄漏；4）管子因振动反复弯折而引起应力疲劳，长时间连续振动就会导致管子破裂；5）振动引起应力脉动，会使管材中的微观缺陷扩展，直至产生裂纹。诱导振动对换热器的损伤主要表现在：减少诱导振动的措施有：1）降低横掠管束的流速；2）提高传热元件的固有频率，如增加管壁厚度、减少管子跨度等。显然，这两个措施是矛盾的。若要减少管子跨度，就需增加折流板的数目。而折流板的数目增加，又会使横掠管束的流速增加。此时为减小流速，就只有增加壳体的直径，而且流速降低会使换热系数下降。最有效的防止诱导振动的方法是使流体由横掠管束改为纵掠管束。但纵掠管束的换热系数又不如横掠管束。这也是一对矛盾。这也正是新型折流杆管壳式换热产生的背景。诱导振动的减少与防止 改进板式支撑结构 双弓形及多弓形折流板 螺旋折流板 整圆形隔板 花隔板 折流板与折流型式折流板与折流型式-2-2折流板与折流型式折流板与折流型式-3-3 螺旋折流板是将传统的垂直弓形板换成螺旋状或近似于螺旋状的折流板，折流板与换热器壳体的横断面有一个倾斜角度，从而使流体在壳程沿螺旋通道流动 将壳程流体由横掠管束改为纵掠管束就能完全消除流动死区并防止管子产生诱导振动。但众所周知流体横掠管束的换热高于纵掠管束。因此为了实现流体纵掠管束并使换热得以强化，就出现了各种整圆形隔板。最初出现的整圆形大孔隔板就是在圆形隔板上钻比管子大的圆孔，既让管子通过，又有足够的间隙让流体通过。这种整圆形隔板制造方便、因流体纵掠管束流动阻力小、可适当提高壳侧流速以增强壳侧的换热；管内外流体亦可布置成全逆流式，以增大传热温差。此外由于管壁与孔板之间的环形间隙对流体可产生射流作用，既增强了传热，又使管壁不易结垢。但采用整圆形大孔隔板不但增大了换热器的直径，而且由于管子缺乏支撑，管束的抗振能力很差。为了改进整圆形大孔隔板的不足，出现了带小孔的整圆形隔板，即在管孔之间开小孔，使传热流体由小孔通过，这样就不用增大壳体的直径。但带小孔的整圆形隔板管子和管孔之间的间隙很容易结垢，引起腐蚀。为了克服这一缺陷，出现了矩形孔、梅花孔等异形孔的整圆形隔板。当隔板间距为50mm时，梅花孔板的传热系数是矩形孔板的1.51.6倍n n花隔板是我们在整圆形隔板的基础上提出的一种新花隔板是我们在整圆形隔板的基础上提出的一种新型壳侧支撑结构。所谓花隔板是在圆形隔板的四个型壳侧支撑结构。所谓花隔板是在圆形隔板的四个象限的某一象限或两个象限（最多三个象限）上开象限的某一象限或两个象限（最多三个象限）上开有管孔，作为管束支撑，而未开管孔的象限则是空有管孔，作为管束支撑，而未开管孔的象限则是空的，或钻有很大的孔，作为流体的通道。花隔板交的，或钻有很大的孔，作为流体的通道。花隔板交替布置，相邻两块隔板的空缺部分相差一个相同的替布置，相邻两块隔板的空缺部分相差一个相同的角度，即后一块隔板相对于前一块隔板绕中心轴线角度，即后一块隔板相对于前一块隔板绕中心轴线顺时针或逆时针旋转一个角度，此角度可以是顺时针或逆时针旋转一个角度，此角度可以是3030，6060或或9090等，如此往复。这样的结构就可以使等，如此往复。这样的结构就可以使流体在纵向流动的同时发生偏转以达到强化换热的流体在纵向流动的同时发生偏转以达到强化换热的目的。这种结构的最大优点是既能强化换热，又简目的。这种结构的最大优点是既能强化换热，又简化了换热器的制造。化了换热器的制造。花隔板的试验研究n n 换热器壳体尺寸为159mm5mm，为标准生产件。换热管尺寸16mm0.8mm，材料为铬镍钢，有效换热长度是1473mm，隔板采用拉杆固定，共4根拉杆，拉杆外径为12mm。花隔板共8块，板间距为170mm，花隔板芯体中换热管采用正方形布置，管间距为20mm。壳侧进口与第一块隔板间距为175mm。两块花隔板旋转的角度为90。花隔板换热器与折流板换热器综合性能花隔板换热器与折流板换热器综合性能花隔板换热器与折流板换热器综合性能花隔板换热器与折流板换热器综合性能K/pK/p比较图比较图比较图比较图 由图可知，在壳侧流体体积流量相同的情况下，花隔板换热器的综合性能K/p 比折流板换热器综合性能K/p高1030。采用其它支撑结构 杆式支撑结构 空心环支撑结构 管子自支撑结构 为了解决传统折流板换热器因流体横掠管束所引起的诱导振动，出现了杆式支撑结构，即所谓的折流杆换热器。其主要特点是：壳程不再设置折流板，而由折流杆组成的折流圈来代替折流板，它既对管子起支撑作用，又对流体起扰动作用，藉以达到强化传热的目的。新型换热设备折流杆管壳式换热器换热器种类繁多，结构各异，其中管壳式换热器应用最广，约占各类换热器总量的70%。折流杆换热器（折流杆换热器（Rod baffle heat Rod baffle heat exchanger)exchanger)的简介的简介 折流杆换热器是1970年由美国菲利浦石油公司首创的。而我国在80年代初期开始研究折流杆换热器，最先是应用在石油化工行业上，近几年我国自主开发折流杆换热器的工作取得迅速发展，折流杆换热器在逐渐被人们认识的同时，也将逐步取代折流板换热器。折流杆换热器（折流杆换热器（Rod baffle heat Rod baffle heat exchangerexchanger）的特点）的特点1）以折流杆所组成的折流栅来代替传统的折流板。折流杆对管子起支撑作用，又对流体起扰动强化传热作用。2）将流体横掠管壳改作纵掠管束，从而从扰动的源头上有效的防治诱导振动的产生。折流板换热器芯折流杆换热器芯折流杆管壳式换热器的结构-1：折流杆管壳式换热器的结构-2：折流杆管壳式换热器的结构-3：折流杆管壳式换热器的结构-4：折流杆管壳式换热器的结构-5：折流杆管壳式换热器的结构-6：折流杆管壳式换热器的结构-7：折流杆管壳式换热器的优点折流杆管壳式换热器的优点1）由于壳侧流体是纵掠管束，防止了诱导振动的产生，提高了换热器的安全性。2）大大减少了壳侧流体的流动阻力，降低了管侧的泵功，节约能源。3）由于折流杆增强了流体的扰动，减少了横掠管束时的流动死区和漏流损失。从而强化了壳侧的换热，即壳侧的换热系数不但不低于横掠时换热系数，而且视壳侧介质、流速以及有无相变等情况，传热系数反而可提高5%-30%。4）减少了污垢的沉积和腐蚀的产生，提高了换热器的使用寿命。对折流杆管壳式换热器，课题组进行了系统的研究，为折流杆换热器的设计和壳换热器的改造积累了丰富的资料。研究包括：1）不同的传热介质（水-水、水-蒸汽凝结、水-油、水-空气等）；2）不同的折流栅的间距（等间距、不等间距）；3）不同的折流形状（圆形杆、方形杆等）；4）不同的管子布置方式（正方向、三角形等）；5）折流杆和管子间的不同组合方式（四杆夹一管、四杆夹二管等）。折流杆管壳式换热器已在国内逐步推广。其中在石油、化工行业已取得明显的成效。如呼和浩特炼油厂常减压装置上一次就使用8台折流杆换热器。其每台传热面积比原折流板换热器减少30%，折流杆冷凝器也应用于20个炼油厂。但是，在电力行业方面一直未得到充分应用。课题组与茂名市茂港电力设备厂合作，已将其成功应用在电厂的海水闭式冷却器和低压加热器上。应用举例应用举例1-1-折流杆海水闭式冷却器折流杆海水闭式冷却器华能汕头电厂2号机闭式冷却器是俄供产品，单台机组设置两台100%容量的铜管折流板式换热器，按俄罗斯设计要求，正常运行时一台冷却器工作，另一台冷却器备用，实际两台冷却器均投入运行。俄产铜管折流板式冷却器在运行中经常出现断管泄漏，断管数每年超过200根/台。华能汕头电厂本次闭冷器改造，是将2号机两台俄产铜管折流板式冷却器中的其中一台，更换为茂名市港电力设备厂生产的单台100%容量钛管折流杆式冷却器，要求改造后的闭冷器正常运行时，单台新闭冷器工作，另一台旧闭冷器备用。钛管折流杆式大型水水冷却器，在我国电力系统应用，尚属首例。通过详细分析、精心设计、周密计算，确定了华能汕头电厂闭冷器改造方案，根据这一方案制造出了我国第一台钛管折流杆式大型水水冷却器。该台钛管折流杆式水水冷却器2001年12月9日运抵华能汕头电厂安装，2001年12月30日投入运行，经过10个月的运行后，由广东省电力试验所对该台设备进行了测试。性能测试报告性能测试报告设计参数设计参数la.闭冷水 工作压力（MPa）p2=0.45 工作压力（MPa）ps=0.6 出口温度（C）t1”35 水量（m3/h）V1=2600lb.循环冷却水（海水）工作压力（MPa）pt=0.1 工作压力（MPa）pt=0.6 出口温度（C）t1”32 水量（m3/h）V2=3700项目项目状态参数状态参数改造前改造前改造后改造后型号型号or760or760BLQ-1000BLQ-1000型式型式铜管折流板式铜管折流板式钛管折流杆式钛管折流杆式台数台数2 2台台/机机1 1台台/机机运行台数运行台数2 2台台/机机1 1台台/机机外形尺寸外形尺寸95401200mm95401200mm95151495mm95151495mm冷却面积冷却面积760M760M2 2/台台954M954M2 2/台台闭冷水流量闭冷水流量1300M1300M2 2/h/h台台2600M2600M2 2/h/h台台海水流量海水流量3700M3700M2 2/h/h台台3700M3700M2 2/h/h台台改造前后闭冷器参数改造前后闭冷器参数试验结果评价l试验换热系数在29003230 W/(m2)范围之间，大于设计的换热系数，分析认为主要有以下几方面的因素：la.循环水流量超过设计值3700m3/h约750 m3/h，增大了管侧的换热系数；lb.闭冷水流量超过设计值2600m3/h约140m3/h，增大了壳侧的换热系数；lc.由于换热器管材为钛管，同时水流速度较大，管壁两侧不易结垢，运行10个月后，污垢热阻仍较小。试验结果评价-经济性分析la.新型折流杆式换热器一台的换热性能达到了改造前两台折流板式换热器的效果，减少了循环水量，节约了能源。根据试验，改造前两台折流板式换热器需要7400 m3/h的循环水量，改造后为4450 m3/h，节约了2950m3/h的循环水量，相当于循环水泵节约用电325KW，全年可节省厂用电250万度，节约费用50万元。试验结果评价-经济性分析n nb.b.同时又解决了闭冷器换热管经常断裂的问题，同时又解决了闭冷器换热管经常断裂的问题，避免了经常检修换管，提高了设备的投入率和避免了经常检修换管，提高了设备的投入率和机组运行的安全性，降低了劳动强度和劳动时机组运行的安全性，降低了劳动强度和劳动时间，节约了资源。根据改造前的检修经验和记间，节约了资源。根据改造前的检修经验和记录，平均每两年对换热管全部更换，费用高达录，平均每两年对换热管全部更换，费用高达一百多万。根据分析，新型折流杆式换热器既一百多万。根据分析，新型折流杆式换热器既节约了能源，又降低了设备的检修费用，新型节约了能源，又降低了设备的检修费用，新型折流杆式换热器的改造费用成本一般可以在折流杆式换热器的改造费用成本一般可以在1818个月的运行时间收回。个月的运行时间收回。结论l利用新型折流杆换热器改造旧的折流板换热器，解决了闭冷器管子断裂问题，并用一台取代两台运行，减化了系统，节约了能源和资源，费用成本回收时间短，具有重要的推广价值。la.闭冷器出口端差均值为1.9，小于设计要求值2.5，满足改造厂家要求。lb.新型折流杆闭冷器较传统的折流板式换热器换热性能明显增强，管道系统简单明了。lc.折流杆消除了壳程流体流动死区，增加了有效换热面积，强化了传热，提高了传热效率，试验证明，华能汕头发电厂2号机组闭冷器换热系数达到29003230 W/m2.范围，同时减少了污垢沉积和腐蚀。鉴定报告鉴定报告应用举例应用举例2-2-折流杆低压加热器折流杆低压加热器韶关发电厂#8汽轮机组表面式加热器性能试验报告广东省电力试验研究所广东省韶关发电厂概述概述长期以来，韶关发电厂#8机#4低加其折流板由于流体横向冲刷管束引起U形弯头及换热器与管板连接破裂，加之蒸汽的影响，也引起管身的破裂。另外#8机轴封加热器和轴封冷却器换热面积不够。因此在1998年决定对之实施改造。1998年，电力工业部茂港电力设备厂对该机组#4低压加热器实施了改造。将折流板改为折流杆换热器，将原锡黄铜换热管改为锅炉用无缝钢管。同时根据改造协议设计、制造和更换了轴封加热器和轴封冷却器。为了准确评估加热器改造后的性能指标，广东省电力试验研究所进行改造后的加热器性能验收试验。试验结果表明：改造后的加热器达到了改造技术协议的要求。#4低压加热器在机组带满负荷时温升不低于21oC；轴封加热器和轴封冷却器的端差不超过5oC，其他指标亦达到了有关技术要求。试验目的试验目的本次试验测定以下内容：1）加热器端差；2）温升；3）水阻；4）汽阻。结论结论 1）#4低压加热器在机组带满负荷时温升不 低于21；2）轴封加热器和轴封冷却器的端差不超过5；3）其他指标亦达到了有关技术要求。总结总结折流杆管壳式换热器是一种新型、高效的换热器。既可以在壳体不变的情况下对现有折流板管壳式换热器进行改造，也可以重新设计新的折流杆换热器。它具有壳侧流动阻力小、传热系数高、无振动、不断管、安全性好等许多优点，是一种值得大力推广的热交换器。折流杆换热器的使用业绩折流杆换热器的使用业绩1 1、低压、低压加热器加热器50MW50MW机组机组茂名热电厂、梅县电厂、三水恒益茂名热电厂、梅县电厂、三水恒益电厂、长海电厂、安徽淮北电厂、电厂、长海电厂、安徽淮北电厂、广西合山电厂等。广西合山电厂等。100MW100MW机组机组云南小龙潭电厂、昆明电厂、茂名云南小龙潭电厂、昆明电厂、茂名热电厂、湖北青山热电厂、广西合热电厂、湖北青山热电厂、广西合山电厂等。山电厂等。125MW125MW机组机组遵义电厂、梅县电厂、湖南金竹山遵义电厂、梅县电厂、湖南金竹山电厂、安徽淮北电厂等。电厂、安徽淮北电厂等。200MW200MW机组机组韶关电厂、沙角电厂、湖南耒阳电韶关电厂、沙角电厂、湖南耒阳电厂、安徽淮北电厂、江苏徐州电厂、厂、安徽淮北电厂、江苏徐州电厂、扬州电厂等。扬州电厂等。2 2、闭式、闭式循环水循环水换热器换热器300MW300MW机组机组华能汕头电厂华能汕头电厂2 2台台350MW350MW机组机组惠州惠州LNGLNG电厂电厂4 4台台深圳前湾电厂深圳前湾电厂4 4台台600MW600MW超临界超临界机组机组华能汕头电厂华能汕头电厂2 2台台汕尾电厂汕尾电厂4 4台台惠来电厂惠来电厂4 4台台 空心环支撑结构是采用空心环作管间支撑物，空心环由直径较小的钢或铝管截成短节而成，均匀地分布于管间的同一截面上，与管子成线性接触，流体纵掠管束时，因空心环对管间流体的反复扰动，使壳侧的换热得以增强。在相同的壳程压降下，采用空心环支撑结构的管壳式换热器的壳侧换热系数可比传统单弓折流板换热器高100%。为了简化管束支撑，提高换热器的紧凑度，进几年出现了利用管子自身作支撑结构的管壳式换热器。例如螺旋扁管、螺旋椭圆扁管、交叉缩放椭圆管都可利用自身作为管束支撑。这类换热器均利用相邻管突出处的点接触支撑管子，且管内外流体换热均能得到强化。在换热器中采用各种异形管和异形翅片管我们开发的各种类型翅片管我们开发的各种类型翅片管各种金属轧制管各种金属轧制管绕带管绕带管绕带管的应用绕带管的应用绕簧管内插入物管内插入物管椭圆热管空气预热器椭圆热管空气预热器椭圆翅片管空冷器椭圆翅片管空冷器世界上第一座直接空冷电站的空冷器化工厂的空冷器化工厂的空冷器 炼油厂的空冷器炼油厂的空冷器根据我们的研究，椭圆矩形翅片管有如下优点：与圆管相比，流动阻力小传热系数大。这是由于椭圆管呈流线型，在横掠气流中，流体分离点后移，从而减少了管后的漩涡区，另外椭圆管前半部的边界层比圆管薄。这些因素有利于增强传热和减少流阻，通常流速下可以比圆管圆形翅片流阻减低50%以上；椭圆管的传热面积比同样截面的圆管大15%，因此在相同流速下，管外换热面积可提高15%；在相同的条件下，椭圆管的传热周长比圆管大，因此管内热阻小，有利于管内介质的传热；对于同样材料的翅片，矩形翅片比圆形翅片效率高8%；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；1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；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；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；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。大型直接空冷电站的空冷器 电站的空冷器的细部 利用诱导振动强化换热器中的换热过程l有源强化技术主要有：机械搅动表面振动流体振动电磁场喷射或抽吸形状记忆合金弹簧弹性盘管换热器的原理n n换热器内流体诱发振动和传热表面积垢是强化传热技术中一直未能够解决的世界性难题。n n弹性盘管以自由振动防止振动破坏并利用振动强化传热。n n利用水流产生扰动提高对流换热系数的同时，利用振动变形减少积垢。弹弹弹弹性性性性盘盘盘盘管管管管的的的的示示示示意意意意图图图图弹弹弹弹性性性性盘盘盘盘管管管管换换换换热热热热器器器器的的的的结结结结构构构构示示示示意意意意图图图图试验试验1 1试验试验2 2蒸汽压力蒸汽压力（MpaMpa）冷水流量冷水流量（m m3 3/h/h）传热系数传热系数（w/mw/m2 2）蒸汽压力蒸汽压力（MpaMpa）冷水流量冷水流量（m m3 3/h/h）传热系数传热系数（w/mw/m2 2）0.290.2931.131.14150.34150.30.320.3230.730.74706.54706.50.270.2722.022.04526.34526.30.260.2620.320.34386.34386.30.280.2818.018.04693.74693.70.280.2814.114.14374.94374.90.220.2215.215.24529.54529.50.290.299.29.24966.34966.30.200.2012.112.14284.44284.40.240.248.58.54282.04282.0测试结果测试结果受热面振动与强化传热n n传热强化传热面振动能够直接破坏边界层而获得传热的增强，振动雷诺数足够高，可达10倍。n n振动产生方法人工产生传热面振动，通常使用电力振动器或机械传动偏心装置来实现 n n存在的问题可能导致管子断裂；耗费的能量比增强传热所获得的收益要高 流体脉动与强化传热（1）n n脉动流的产生：利用流体脉动装置（脉动阀门、空气脉动利用流体脉动装置（脉动阀门、空气脉动器、往复泵、扬声器、超声波发生器、振器、往复泵、扬声器、超声波发生器、振荡器荡器,）使流体在管内产生脉动。）使流体在管内产生脉动。n n强化传热的效果：大多数结果对换热有不同程度的增强；少大多数结果对换热有不同程度的增强；少数则相反。数则相反。与脉动频率，脉动幅度，脉动阀门位于换与脉动频率，脉动幅度，脉动阀门位于换热器的上游热器的上游 或下游等有关。或下游等有关。流体脉动与强化传热（流体脉动与强化传热（2）对于高粘度流体和非牛顿流体的层流运动对于高粘度流体和非牛顿流体的层流运动基本没有强化传热的效果。基本没有强化传热的效果。可使气流在雷诺数为可使气流在雷诺数为15001500时就变为湍流运时就变为湍流运动，而对于原来即为湍流的气流，脉动基动，而对于原来即为湍流的气流，脉动基本不增强传热。本不增强传热。n n声波频率下的脉动实验证明换热器中水在声波频率下的脉动，实验证明换热器中水在声波频率下的脉动，不仅可以增强传热，而且还能预防水溶液不仅可以增强传热，而且还能预防水溶液中盐分在管壁上的沉淀。中盐分在管壁上的沉淀。流体脉动与强化传热（3）n n流体的来流湍流度：流体的来流湍流度：流体的来流湍流度对横向流过管束的传热强度影流体的来流湍流度对横向流过管束的传热强度影响不亚于表面振动。响不亚于表面振动。n n主要的问题：主要的问题：要专门的设备，能量的消耗。要专门的设备，能量的消耗。n n研究的方法：研究的方法：实验研究实验研究理论研究：脉动频率不大时作准稳态处理；振荡理论研究：脉动频率不大时作准稳态处理；振荡流体力学；适于简单情况的简单模型；数值计算流体力学；适于简单情况的简单模型；数值计算方法。方法。小扰动强化传热的机理（1）n n稳定性与振动的本质稳定性与振动的本质从受力来看：从受力来看：n n流体或受热面受到的各种力失去平衡，导流体或受热面受到的各种力失去平衡，导致失稳，进入另一种稳态；或再受到恢复致失稳，进入另一种稳态；或再受到恢复力的作用而回复，引起振荡，只要输入的力的作用而回复，引起振荡，只要输入的能量能等于阻尼引起的能量消耗，振荡就能量能等于阻尼引起的能量消耗，振荡就能持续下去。能持续下去。从系统来看：从系统来看：n n如果系统是一个不稳定环节；或输出对输如果系统是一个不稳定环节；或输出对输入有正反馈，则输入的小扰动就能被放大，入有正反馈，则输入的小扰动就能被放大，引起不稳定或振动。引起不稳定或振动。流体用偏微分方程、受热面可以用常微分方流体用偏微分方程、受热面可以用常微分方程描述程描述小扰动强化传热的机理（2）n n流体的稳定性与脉动流体的稳定性与脉动 层流的失稳；湍流强度的增加层流的失稳；湍流强度的增加 流体的宏观脉动：整体周期振荡，流场有序的大涡流体的宏观脉动：整体周期振荡，流场有序的大涡 流体在声学频率下的振动（声振，水击）流体在声学频率下的振动（声振，水击）n n声共鸣：气体流过换热器管束时，可能产生一个声共鸣：气体流过换热器管束时，可能产生一个既垂直于管子又垂直于流动方向的驻波，并在换既垂直于管子又垂直于流动方向的驻波，并在换热器内壁之间穿过管束来回反射；同时流体横掠热器内壁之间穿过管束来回反射；同时流体横掠管束时在管子后面形成漩涡分离，驻波在来回反管束时在管子后面形成漩涡分离，驻波在来回反射的过程中漩涡分离的能量不断输入，当频率耦射的过程中漩涡分离的能量不断输入，当频率耦合时引起共振。共振的声学波能使沿园柱体跨度合时引起共振。共振的声学波能使沿园柱体跨度方向漩涡关联起来。方向漩涡关联起来。n n声学频率与管间节距，隔板间距等有关。声学频率与管间节距，隔板间距等有关。小扰动强化传热的机理（3）n n流体诱发受热面振动的机理流体诱发受热面振动的机理 湍流撞振：湍流撞振：n n湍流的随机压力与速度的波动引起。湍流的随机压力与速度的波动引起。n n可改变来流的湍流度，管束排列方式等来改变。可改变来流的湍流度，管束排列方式等来改变。漩涡脱落漩涡脱落n n管两侧漩涡交替脱落造成阻力与升力的交替变化。管两侧漩涡交替脱落造成阻力与升力的交替变化。绕振绕振n n当管阵中某根管子发生位移后，流场的均匀性被当管阵中某根管子发生位移后，流场的均匀性被破坏，相邻管的力的平衡被破坏。破坏，相邻管的力的平衡被破坏。喷流交替喷流交替n n振动由管排后面喷流的耦合与失耦而产生。振动由管排后面喷流的耦合与失耦而产生。与上游尾流相互作用形成与上游尾流相互作用形成小扰动强化传热的机理（4）n n小扰动强化传热的机理小扰动强化传热的机理 层流时：层流时：n n由小扰动诱发流动失稳，形成湍流。由小扰动诱发流动失稳，形成湍流。湍流时：湍流时：n n由小扰动诱发流体的脉动。由小扰动诱发流体的脉动。n n由小扰动诱发流体的脉动，并使其固有频率与受热面固由小扰动诱发流体的脉动，并使其固有频率与受热面固有频率耦合，引起受热面振动。有频率耦合，引起受热面振动。n n由小扰动诱发流体的脉动，并使其固有频率与受热面固由小扰动诱发流体的脉动，并使其固有频率与受热面固有频率耦合，并与漩涡脱落频率耦合，与换热器内声学有频率耦合，并与漩涡脱落频率耦合，与换热器内声学波共振，形成有序有大涡，直接冲刷受热面。波共振，形成有序有大涡，直接冲刷受热面。小扰动如何诱发流体振动小扰动如何诱发流体振动扰动诱发流体的脉动，通过与受热面固有频率的耦合，与漩涡脱落频率的耦合，与声场固有频率的共振，使扰动能放大并维持一定数值，达到强化传热、防止结垢、防止破坏的目的。流体脉动诱发盘旋管、盘旋悬伸管、盘形管、波纹管振动。壳程切向进水、切向对冲进水诱发流体的脉动。已获得的初步试验成果 试验换热器中的部分传热管被薄壁波纹管代替,该薄壁波纹管内不走流体(所谓假管),其作用是在流体的作用下诱发振动,从而使相邻管的传热得以强化。试验证明，当换热面积中假管面积占1/6时其换热量与无假管时一样，这样就可用不锈钢管代替部分价格昂贵的钛管，从而大大节约换热器的制造成本。与传统振动及脉动方法的不同之处通过小扰动诱发流动的不稳定，破坏边界层通过小扰动诱发流动的不稳定，破坏边界层或层流底层，以很小的能耗达到强化传热的或层流底层，以很小的能耗达到强化传热的目的目的受热面可以不振动，关键是小扰动装置与换受热面可以不振动，关键是小扰动装置与换热器内流体的相互作用，形成持续的脉动、热器内流体的相互作用，形成持续的脉动、振荡、大涡。振荡、大涡。n n小扰动强化传热的难点小扰动强化传热的难点使流体、换热面对小扰动作出响应，使部分使流体、换热面对小扰动作出响应，使部分原来被无序的湍流耗散的能量输入到有序的原来被无序的湍流耗散的能量输入到有序的脉动，使小扰动能放大，并维持一定强度与脉动，使小扰动能放大，并维持一定强度与方向。方向。陶瓷蓄热式换热器的应用前景n n能源紧缺是目前世界上普遍存在的严重问题，“高能耗，高排放，低效率”一直是制约我国经济快速发展的一个瓶颈，针对目前我国工业炉普遍具有的排烟温度高这一问题，采用在烟道中装陶瓷蓄热式换热器对烟气的余热进行回收利用以达到节能目的。我国工业炉能源利用现状n n“两高一低两高一低”高排放高排放,高能耗高能耗,低效率低效率n n炉子排烟温度高炉子排烟温度高,对我国冶金工业重点企业和对我国冶金工业重点企业和地方企业的地方企业的202202座加热炉排烟温度调查表明座加热炉排烟温度调查表明n n 小于小于700 700 占占41%41%n n 700-900 700-900 占占51%51%n n 大于大于900 900 占占 8%8%实践证明实践证明,排烟温度每降低排烟温度每降低100,100,炉子的热效炉子的热效率可以提高率可以提高5%-7%.5%-7%.余热回收装置流程图余热回收装置冷空气 常温预热空气 900烟气 1000低温烟气 200陶瓷蓄热式换热器的优点 空气和烟气在蓄热体内的流动方向相反空气和烟气在蓄热体内的流动方向相反,可以很大程度避免堵灰可以很大程度避免堵灰.n n 即使蓄热体因长期使用有破损即使蓄热体因长期使用有破损,也不会也不会发生空气和烟气发生渗混发生空气和烟气发生渗混.n n 蓄热体比表面积大蓄热体比表面积大,减小了换热器的外减小了换热器的外型尺寸型尺寸.n n 陶瓷成本低廉陶瓷成本低廉,耐高温和腐蚀耐高温和腐蚀,能大批能大批量生产量生产,制造精度要求低制造精度要求低.三种陶瓷蓄热体n n通过率通过率通过率通过率n n球体球体 9%9%n n六边蜂窝六边蜂窝 62%62%n n方孔蜂窝方孔蜂窝 58%58%n n比表面积比表面积比表面积比表面积n n球体球体 240m2/m3 240m2/m3 n n六边蜂窝六边蜂窝 504m2/m3 504m2/m3 n n方孔蜂窝方孔蜂窝 961m2/m3 961m2/m3 实验装置图热风风机电加热管及保温层电流互感器 蓄热室 冷风风机空气压缩机脉冲发生器变频器IJA BC DE FG H温度调节箱实验结果n n1 三种蓄热体阻力性能测量 阻力损失实验测量结果流量流量Nm3/h 20 25 30 35 39 42 Nm3/h 20 25 30 35 39 42 45 48 5145 48 51方孔蜂窝方孔蜂窝Pa 25 30 35 45 60 65 Pa 25 30 35 45 60 65 70 75 7970 75 79计算值计算值Pa 23.7 32.0 41.3 51.6 60.5 67.6 Pa 23.7 32.0 41.3 51.6 60.5 67.6 75.1 82.9 91.475.1 82.9 91.4六边蜂窝六边蜂窝Pa 2 8 12 18 22 24 Pa 2 8 12 18 22 24 32 36 4032 36 40计算值计算值Pa 11.1 16.3 22.3 29.3 35.6 40.7 Pa 11.1 16.3 22.3 29.3 35.6 40.7 46.1 51.9 58.646.1 51.9 58.6球体球体Pa 31 45 63 82 98 Pa 31 45 63 82 98 114 125 141 153 114 125 141 153 计算值计算值PaPa 42.7 55.4 68.9 83.3 95.3 104.7 114.4 124.4 134.7 42.7 55.4 68.9 83.3 95.3 104.7 114.4 124.4 134.7 阻力损失实验测量结果流量流量Nm3/h 45 60 80 90 100 110 Nm3/h 45 60 80 90 100 110 120 125120 125方孔蜂窝方孔蜂窝Pa 176 221 303 359 398 480 Pa 176 221 303 359 398 480 537 583537 583计算值计算值Pa 147 213 315 372 433 497 Pa 147 213 315 372 433 497 566 602 566 602 六边蜂窝六边蜂窝Pa 137 166 221 260 289 332 Pa 137 166 221 260 289 332 381 412381 412计算值计算值Pa 67 107 175 216 260 308 Pa 67 107 175 216 260 308 360 388 360 388 各测点温度值(工作周期52s)n n蓄热体蓄热体 热空气热空气 冷空气冷空气 热空气热空气 热空气热空气 冷空气冷空气 冷空气冷空气n n 流量流量 流量流量 入口温度入口温度 出口温度出口温度 入入口温度口温度 出口温度出口温度 方孔蜂窝方孔蜂窝 25 261 86 25 261 86 24 17124 171 30 248 30 248 68 24 162 68 24 162 35 262 35 262 69 23 15869 23 158 六边蜂窝六边蜂窝 35 25 256 101 35 25 256 101 27 14427 144 30 257 30 257 91 26 14291 26 142 35 260 35 260 93 26 13493 26 134 球体球体 25 262 93 25 262 93 24 14124 141 30 255 30 255 86 25 13786 25 137 35 260 35 260 78 25 13678 25 136 各测点的温度值(工作周期70s)n n蓄热体蓄热体 空气流量空气流量 热空气入口温度热空气入口温度 热空气出口温度热空气出口温度 冷空气进口温度冷空气进口温度 冷空气出口温度冷空气出口温度n n 35 282 79.7 35 282 79.7 34 195.334 195.3n n 六六 47 302 81.8 47 302 81.8 32 194.832 194.8n n 边边 60 299 109.5 60 299 109.5 33 189.033 189.0n n 蜂蜂 77 320 110.6 77 320 110.6 31 181.731 181.7n n 窝窝 80 311 114.6 80 311 114.6 31 189.331 189.3n n 100 313 113.8 100 313 113.8 31 183.031 183.0n n 35 272 80.3 35 272 80.3 31 232.031 232.0n n 方方 47 305 89.1 47 305 89.1 30 246.330 246.3n n 孔孔 60 302 101.0 60 302 101.0 34 243.334 243.3n n 蜂蜂 77 301 102.6 77 301 102.6 35 225.635 225.6n n 窝窝 80 310 105.3 80 310 105.3 35 236.735 236.7n n 100 306 113.7 100 306 113.7 38 223.438 223.4 换热系数实验结果n n蓄热体蓄热体 冷空气冷空气 热空气热空气 表面换热系数表面换热系数 理论值理论值 体积体积换热系数换热系数n n 流量流量 流量流量 W/(m2*)W/(m2*)W/(m2*)W/(m3*)W/(m2*)W/(m3*)n n六边蜂窝六边蜂窝 25 15.7 25 15.7 12.7 791312.7 7913n n 30 19.5 30 19.5 13.3 982813.3 9828n n 35 19.8 35 19.8 14.1 997914.1 9979n n方孔蜂窝方孔蜂窝 25 12.8 25 12.8 14.5 1230114.5 12301n n 30 17.3 30 17.3 15.2 1662515.2 16625n n 35 35 17.4 35 35 17.4 15.8 1676915.8 16769n n球体球体 25 32.6 25 32.6 34.8 782434.8 7824n n 30 40.0 30 40.0 36.71 960036.71 9600n n 35 47.8 35 47.8 38.17 1147238.17 11472 n n蓄热体蓄热体 空气流量空气流量 表面换热系数表面换热系数 理论值理论值 体积换热系数体积换热系数n n Nm3/h W/(m2*)W/(m2*)Nm3/h W/(m2*)W/(m2*)W/(m3*)W/(m3*)n n六边蜂窝六边蜂窝 35 14.89 10.01 35 14.89 10.01 75047504n n 47 17.20 47 17.20 11.65 866911.65 8669n n 60 17.05 60 17.05 13.25 859313.25 8593n n 77 18.26 77 18.26 15.01 920315.01 9203n n 80 20.96 80 20.96 15.36 1056415.36 10564n n 100 24.29 100 24.29 16.19 12242 16.19 12242 n n方孔蜂窝方孔蜂窝 35 11.65 9.85 35 11.65 9.85 1119611196n n 47 14.28 47 14.28 11.96 1372311.96 13723n n 60 16.48 60 16.48 13.61 1583713.61 15837n n 77 17.88 77 17.88 15.46 1718315.46 17183n n 80 19.63 80 19.63 15.57 1886415.57 18864n n 100 20.86 100 20.86 17.90 2004617.90 20046 结论(均是在空气流量相同的情况下)n n 1.采用陶瓷球的换热器阻力损失最大,六边蜂窝最小.n n 2.采用陶瓷球的换热器表面换热系数最大,但由于蜂窝陶瓷具有比球体大得多的比表面积,折算到单位体积后,方孔蜂窝表面换热系数最大,六边蜂窝和球体大致相等.n n 3.换热器的 效率随流量增大而降低,在流量相同的情况下,方孔蜂窝换热器 效率最高.工作周期对换热器出口温度的影响n n 由于蓄热式换热器换热过程具有非稳态和周期性两大特点,导致换热器出口气温呈现周期性波动的特点,而工作周期的长短对换热器出口气温波动幅度有决定性影响.n n 在流量100Nm3/h,工作周期T=50s,70s和130s下分别对两种蜂窝体出口气流温度进行了测量 n n 工作周期130s时,温度波动幅度100-125,尤其是预热空气,温度波动幅度过大导致炉膛燃烧不稳定,对设备寿命和产品质量都有不利影响,而工作周期在50-70s时温度波动在50-75,但工作周期选得过短则会缩短换向阀的寿命.