强化传热技术及高效节能设备(华谊交流)

一、换热设备的强化传热技术
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1 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。
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表面多孔管结构图
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表面多孔管
强化传热机制
性能曲线对比
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3.1 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。
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3 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。
菱形翅片管结构图
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3.1 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。
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螺 旋 波 纹 管
横 向 波 纹 管
. . . . .
....... ..... ... .
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（2） 折流杆式换热器
折流杆 换热管
壳体 折流圈 X 导液缺口
折流圈 Y
折流杆式换热器（与波纹管组合强化）设计与制造
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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。
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2 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。
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3.1 强化传热管元件
3）缩放管 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。
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传热性能对比
压力降对比
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3.1 强化传热管元件
8）表面多孔管（烧结、热喷涂、电镀等）
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。
7）波纹管性能
1600
80
corrugated tube (exp.) plain tube (cal.)
1200
60
corrugated tube (exp.) plain tube (cal.)
pressure dr (kPa) rop
K (W/m m2.K)
8Hale Waihona Puke 04040020
0
5 6 7 8 9
缩放管结构图
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3.1 强化传热管元件
4）低螺纹翅片管
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 低螺纹翅片管结构图 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。
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3.1 强化传热管元件
5）螺旋扁管
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。 螺旋扁管结构图
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（3） 空心环式换热器
空心环管 壳程介质 管程介质
空心环式换热器
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3.2
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30％~40％的传热面积，节省材料20％~30％ 。此换热器尤适宜于处理含固体颗粒、粉尘和泥沙等流体。
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3.1 强化传热管元件
6）菱形翅片管 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。
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螺旋槽管结构图
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3.1 强化传热管元件
2）横纹槽管 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。
横纹槽管结构图
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2 传热过程强化的途径
（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。
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9、 T形翅片管
T形槽 汽泡
换热管
T形翅片管结构图
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3.1 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
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3.2 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。
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1 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：
Q = KA ∆T
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。
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（2） 折流杆式换热器
折流杆式换热器内部结构
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（2 ） 折流杆式换热器
折流杆式换热器 流动形式
死区
传统折流板式换热器的流体流动形式
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2 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。