强化传热技术及高效节能设备(华谊交流)

强化传热技术及其高效节能设备华东理工大学化工机械研究所HEAT TRANSFER ENHANCEMENT TECHNOLOGIES AND HIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGERS2一、换热设备的强化传热技术HEAT TRANSFER ENHANCEMENT TECHNOLOGIES AND HIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGERS31 换热器的强化传热技术 近20年来，石油、化工等过程工业得到了迅猛发展。各工业部门都在大力发展大容量、高性能设备，因此要求提供尺寸小、重量轻、换热能力大的换热设备。 特别是始于20世纪60年代的世界能源危机，加速了当代先进换热技术和节能技术的发展。强化传热已发展成为第二代传热技术，并已成为现代热科学中一个十分引人注目的、蓬勃发展的研究领域。 主要介绍工业化应用的、相对比较成熟的管壳式换热器无功强化传热技术。41 换热器的强化传热技术 换热器的强化传热就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量达到最多。 应用强化传热技术的目的是：提高现有换热器的换热能力；减小设计传热面积，以减小换热器的体积和重量；使换热器能在较低温差下工作。传热方程式为： 式中 K传热系数；A换热面积；T平均传热温差。强化传热主要有3种途径：提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差。TKAQ52 传热过程强化的途径（1）对流强化传热 无相变过程强化对流传热技术的研究，可分为管内强化和管外强化两种形式。强化措施大致有：管外采用新型扩展表面；管内采用插入物提高搅动程度；管内外采用异形管，改变管内流体流动状态提高传热；改变管束支撑件形式，提高流速和搅动程度； 加入不互溶低沸点添加剂，靠汽化潜热提高传热果。62 传热过程强化的途径（2）冷凝强化传热 冷凝传热基本有两种类型，其一为膜状冷凝，其二为滴状冷凝。 膜状冷凝：冷凝液在壁面上形成一层连续不断的液膜。在重力的作用下，液膜不断地沿壁面流动，通过液膜传递给壁面，传热热阻主要集中在冷凝液膜上。 强化冷凝传热：减薄或消除冷凝液膜；疏导冷凝液膜迅速流开壁面；减小冷凝传热热阻等等。7（2）冷凝强化传热滴状冷凝:冷凝液不能润湿壁面，只能在壁面上形成液珠。液珠长大后，受重力的作用不断地携带着沿途的其他液珠沿壁面流下。与此同时，新的液珠又会在原来的途径上重新复生。 实现滴状冷凝的途径有：在金属表面涂上憎水基有机化合物涂层；金属硫化物涂层；贵金属涂层；高分子聚合物涂层；往蒸汽中注入不润湿性介质等。2 传热过程强化的途径传热系数:滴状冷凝膜状冷凝8（3）沸腾强化传热核沸腾传热的强化有三种基本方法：降低表面的润湿性；应用带有凹陷形的核化空穴的传热表面；形成小通道内的液膜蒸发。 沸腾强化传热措施：表面多孔管，烧结型、电镀型、化学腐蚀和机械加工型；T形翅片管或Y形管，机加工管型； 整体内螺旋翅片管，强化管内沸腾传热的机加工管型； 椭圆管用于强化降膜蒸发器的传热；管内加金属丝网强化管内沸腾传热。2 传热过程强化的途径93 管壳式换热器的强化传热技术 管壳式换热器的传热强化研究包括管程和壳程两侧的传热强化研究。通过强化传热管元件与优化壳程结构实现。3.1 强化传热管元件 改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的插入物。改变传热面的形状有多种，其中用于强化管程传热的有：螺旋槽纹管、横纹管、螺纹管、缩放管、旋流管和螺旋扁管等。 另外，也可采用扰流元件，在管内装入麻花铁，螺旋圈或金属丝片等填加物，亦可增强湍动，且有破坏层流底层的作用。103.1 强化传热管元件1）螺旋槽管 螺旋槽纹管管壁是由光管挤压而成。其管内传热强化主要：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24倍。shtRdo螺旋槽管结构图113.1 强化传热管元件2）横纹槽管 横纹槽管结构图 横纹管的强化机理为：当管内流体流经横向环肋时，管壁附近形成轴向游涡，增加了边界层的扰动，使边界层分离，有利于热量的传递。当游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。123.1 强化传热管元件3）缩放管 缩放管结构图 换热管表面的竹节状结构，使管内介质流动时，产生收缩和放大效应，使介质湍动程度增加，提高了管内介质的热交换能力，而且管内靠近管壁的介质沿管的轴向流动时，其方向和速度在波节处产生突变，形成局部湍流，使管壁处流体的滞留底层减薄，热阻降低，也使管外介质的传热能力提高。133.1 强化传热管元件4）低螺纹翅片管 低螺纹翅片管结构图 普通换热管经轧制在其外表面形成螺纹翅片的一种高效换热管型。其强化作用是在管外。对介质的强化作用一方面体现在螺纹翅片增加了换热面积；另一方面是由于壳程介质流经螺纹管表面时，表面螺纹翅片对层流边层产生分割作用，减薄了边界层的厚度。 当用于蒸发时，可以增加单位表面上气泡形成的数量，提高沸腾传热能力； 当用于冷凝时，螺纹翅片十分有利于管下端冷凝液的滴落，使液膜减薄，热阻减少，提高冷凝传热效率。143.1 强化传热管元件5）螺旋扁管 螺旋扁管结构图 螺旋扁管(Twisted tube)换热器是由美国Brown公司推出的。螺旋扁管的结构特点是管子的任一截面均为一长圆。螺旋扁管的强化机理：由于管子的独特结构，使管程与壳程同时处于螺旋流动，促进了湍流程度。此换热器比常规换热器总传热系数高40，而压力降则几乎相等。此换热器可用于气气、液液以及气液换热过程。153.1 强化传热管元件6）菱形翅片管 菱形翅片管结构图 菱形翅片管为带有周向非连续三维翅片的高效传热管，其传热强化性能优于带周向连续翅片的螺纹翅片管。当用于冷凝强化传热时，由于其三维翅片的特殊结构造成翅片表面液膜的表面张力分布不均(根部大，顶部小)，液膜被拉向根部，使三维翅片表面的液膜厚度大幅度的减薄，热阻减小，使汽态介质和管外壁的换热能力增强，从而提高换热效果。163.1 强化传热管元件7）波纹管波纹管是以普通光滑换热管为基管，采用无切削滚扎工艺使管内外表面金属塑性变形而成，双侧带有波纹的管型。波纹管管内被挤出凸肋，从而改变了管内壁滞流层的流动状态，减少了流体传热热阻，增强了传热效果。螺旋波纹管横向波纹管177）波纹管性能567892310000Re040080012001600K (W/m2.K)corrugated tube (exp.)plain tube (cal.)567892310000Re020406080pressure drop (kPa)corrugated tube (exp.)plain tube (cal.)传热性能对比压力降对比183.1 强化传热管元件8）表面多孔管（烧结、热喷涂、电镀等）表面多孔管结构图 采用含有造孔剂的金属粉末，在普通光管的表面制备一层多孔涂层。该涂层在沸腾传热时，涂层中的大量微孔变成为汽泡形成的核心，由于微孔内的汽泡处于四周受热状态，气泡核迅速膨大充满内腔，持续受热使气泡内压力快速增大，促使气泡从管表面细缝中急速喷出。气泡喷出时带有较大的冲刷力量，并产生一定的局部负压，使周围较低温度液体涌入微孔内，形成持续不断的沸腾。10019表面多孔管性能曲线对比强化传热机制203.1 强化传热管元件9） T形翅片管 T型翅片管是由光管经过滚轧加工成型的一种高效换热管。其结构特点是在管外表面形成一系列螺旋环状T型隧道。管外介质受热时在隧道中形成一系列的气泡核，由于在隧道腔内处于四周受热状态，气泡核迅速膨大充满内腔，持续受热使气泡内压力快速增大，促使气泡从管表面细缝中急速喷出。气泡喷出时带有较大的冲刷力量，并产生一定的局部负压，使周围较低温度液体涌入T型隧道，形成持续不断的沸腾。21T形翅片管结构图汽泡换热管T形槽9、 T形翅片管 223.1 强化传热管元件10） 其他形式换热管 纵向翅片管横向翅片管管内静态混合器233.2 壳程强化传热壳程强化传热的途径主要有两种： 一是改变壳程挡板或管支撑物的形式，以减少或消除壳程流动与传热的滞留死区，使传热面积得到充分利用。如折流杆换热器、空心环换热器、螺旋折流板换热器等等。 二是改变管子外形或在管外加翅片，即通过管子形状或表面性质的改造来强化传热，以提高换热器效率。如槽纹管、翅片管、表面多孔管、钉头管等等。 对于第二种情况前面有介绍，在这里主要向大家介绍第一种方法。24 （1 ） 不同形式的折流板换热器梅花孔板网状孔板3.2 壳程强化传热253.2 壳程强化传热 20世纪70年代初，美国菲利浦公司为了解决天然气流动振动问题，而将管壳式换热器中的折流板改成杆式支撑结构，开发出了折流杆换热器。研究表明，这种换热器不但能防振，而且还提高了传热系数。此种换热器广泛应用于单相沸腾和冷凝的各种工况。其总传热系数比普通折流板换热器提高4060%，且抗振性能好。 把折流杆支撑结构与螺旋槽管、横纹槽管、底翅片管、T形翅片管等强化传热管组合，形成复合强化传热技术。 折流杆换热器是目前应用最广的新型管壳式换热器。（2）折流杆式换热器26（2） 折流杆式换热器 折流杆式换热器内部结构27（2 ） 折流杆式换热器. .图二 弓形折流板示意图死区传统折流板式换热器的流体流动形式 折流杆式换热器流动形式28折流圈X折流杆换热管导液缺口壳体折流圈Y （2） 折流杆式换热器折流杆式换热器（与波纹管组合强化）设计与制造新型高效节能换热器研究开发传热性能流体力学性能“新型高效节能换热器系列”，被列入国家重点推广计划，、“新型纵流壳程换热设备现代设计技术的研究与应用”（获国家科技进步二等奖）等项目成果，已在河南、江苏、山东等二十余省市近二百家化肥、石化、炼油、热电厂应用，经济效益和社会效益十分显著。303.2 壳程强化传热（3） 空心环式换热器 空心环管壳式换热器是我国于20世纪90年代发明的一种新型管壳式换热器。空心环是由直径较小的钢管截成短节，均匀地分布于换热管管间的同一截面上，呈线性接触，在紧固装置螺栓力的作用下，使管束相对紧密固定。空心环作为支撑形式，已成功地应用于小型氮肥厂。据报道，在相同条件下，其传热面积虽比单弓形支承可减少35，传热速率则可增加38，泵功率可减少75。31（3） 空心环式换热器管 程 介 质壳 程 介 质空 心 环 管缩 放 管空心环式换热器323.2 壳程强化传热（4） 螺旋折流板换热器 螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器，是由美国ABB公司提出的。与常规折流板相互平行布置方式不同，它的折流板相互形成一种特殊的螺旋形结构，每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度，使壳程流体做螺旋运动，能减少管板与壳体之间易结垢的死角，从而提高了换热效率。在气水换热的情况下，传递相同热量时，该换热器可减少3040的传热面积，节省材料2030。此换热器尤适宜于处理含固体颗粒、粉尘和泥沙等流体。33（4） 螺旋折流板换热器 将1/4圆周的扇形折流板片，按规定的螺旋升角沿周向转角排列，最终在轴向形成一个螺旋框架。减少流动阻力、提高流速、减少死区、强化传热。34扭曲管结构图（5）扭曲管换热器35 管程、壳程同时强化传热，抗振性能好。更适合流速底、粘度大的流体。（5）扭曲管换热器36二、紧凑式换热器与余热回收器HEAT TRANSFER ENHANCEMENT TECHNOLOGIES AND HIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGERS371 紧凑式换热器以板面式换热器为主A. 螺旋板式换热器B. 板式换热器C. 板翅式换热器D. 板壳式换热器381 紧凑式换热器 1 ） 螺旋板式换热器 螺旋板式换热器由两张平行的薄钢板卷制而成，构成一对互相隔开的螺旋形流道。 冷热两流体以螺旋板为传热面相间流动，两板之间焊有定距柱以维持流道间距，同时也可增加螺旋板的刚度。在换热器中心设有中心隔板，使两个螺旋通道隔开。 391 紧凑式换热器 1） 螺旋板式换热器401 紧凑式换热器 2） 板式换热器 板式换热器是由一组金属薄板、相邻薄板之间衬以垫片并用框架夹紧组装而成。 矩形板片上四角开有圆孔，形成流体通道。冷热流体交替地在板片两侧流过，通过板片进行换热。 板片通常压制成各种波纹形状，既增加刚度，又使流体分布均匀，加强湍动，提高传热系数。 板片数目可以根据工艺条件的变化，增加或减少。411 紧凑式换热器 2） 板式换热器421 紧凑式换热器 3 ） 板翅式换热器 板翅式换热器的基本结构，是由平隔板和各种型式的翅片构成板束组装而成。 在两块平行薄金属板（平隔板）间，夹入波纹状或其他形状的翅片，两边以侧条密封，即组成为一个单元体。 各个单元体又以不同的叠积适当排列，并用钎焊固定，成为常用的逆流或错流式板翅式换热器组装件，或称为板束。再将带有集流进出口的集流箱焊接到板束上，就为板翅式换热器。431 紧凑式换热器 3） 板翅式换热器逆流错流光直翅片多孔翅片锯齿翅片441 紧凑式换热器 4） 板壳式换热器 板壳式换热器与列管式换热器的重要区别是以板束代替管束。板束的基本元件是将条状钢板滚压成一定形状然后焊接而成。板束元件可以紧密排列、结构紧凑，单位体积提供的换热面为列管式的3.5倍以上。 板壳式换热器不仅有各种板式换热器结构紧凑、传热系数高的特点，而且结构坚固，能承受很高的压力和温度，较好地解决了高效紧凑与耐温抗压的矛盾。451 紧凑式换热器 4） 板壳式换热器461 紧凑式换热器 4） 板壳式换热器472 余热回收器2.1 热管式换热器 是一种高效的新型换热器，在密闭的高度真空的管子或筒体内壁镶套着一层多孔毛细结构的吸液芯，浸满液相工质。外部热源在蒸发段输入热量，使工质蒸发、汽化。蒸汽流向冷凝段进行凝结，释放出来的汽化潜热送至外界。凝液缩进吸液芯表面，靠毛细压力的作用流回蒸发段，完成工质的自动循环。 热管的结构简单、重量轻、工作可靠、无运动部件，在能源开发与热能回收的领域，有广阔的应用前景。482.1 热管式换热器热管式换热器结构原理49 2.1 热管式换热器热管式换热器工作原理50 2.2 水套式余热回收装置 锅炉（Boiler）烟气余热回收； 工业炉（Furnace）烟气余热回收。目前成熟的产品51选用强化措施时，应该全面考虑以下问题：u提高传热效率和引起系统泵送功率的增加，两者之间的效果究竟有多大？u强化措施可否工业化批量生产，增加的加工费用与减少的换热面积而节省的费用是否有利可图；u强化措施能否保证强化传热性能持久有效；u采用强化措施收到多大的经济效益。结语： 强化传热性能的评判准则这些强化传热技术实验与研究已经成熟，已到工程应用与推广时期，只有在应用中才不断完善。52谢谢大家！HEAT TRANSFER ENHANCEMENT TECHNOLOGIES AND HIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGERS