强化传热技术及新型热交换器
(完整)管壳式换热器强化传热技术概述
管壳式换热器强化传热技术概述马越中国矿业大学化工学院,江苏徐州，221116摘要:总结了近年来国内外新型管壳式换热器的研究进展，从管程、壳程、管束三方面介绍了管壳式换热器的发展历程、结构改进及强化传热机理,并与普通弓形折流板换热器进行对比，概括了各式换热器的强化传热特点。
最后指出了换热器的研究方向。
关键词:管壳式换热器；强化传热;研究方向Overview of the Shell and Tube Heat Exchangers about Heat TransferEnhancement TechnologyMA YueCUMT,Xuzhou，jiangsu，221116Abstract:Abstract : The research progress of shell and tube heat exchanger were summarized. The development structural improvement and heat transfer enhancement of the heat exchangers were introduced through three aspects e. g. tube pass shell pass and the whole tub bundle etc. Compared with the traditional segmental bame heat exchanger various types of heat exchangers'characteristics about heat transfer enhancement were epitomized。
At last，the studying directions of heat exchangers were pointed out.Key words：shell and tube heat exchanger;heat transfer enhancement；studying direction1引言《“十二五”节能减排综合性工作方案》明确提出,到2015年,全国万元国内生产总值能耗下降到0。
强化传热技术(研究生用)
导热及其强化 电子产品散热：导热（+电绝缘）。导热胶粘剂，特别适合
于不规则形状界面。
一、导热及其强化
小结
1）减少导热热阻：使用导热系数较高的材料作 为导热介质。如纯银、纯铜、纯铝等。 2）减少接触热阻：.a. 提高接触表面光洁度或 增加物体间的接触压力，以增加接触面积；b.在 接触面之间充填导热系数较高的气体（如氦气）； c.在接触表面上用电化学方法添加软金属涂层或 加软金属垫片。 3）导热胶粘剂的应用。
二、辐射换热及其强化
固体微粒对辐射换热强化的程度，与微粒在 气流中的载荷比（＝微粒质量流量与气体质 量流量之比）、微粒尺寸及其传热特性、气 流运动状况以及流道几何形状等因素有关。
二、辐射换热及其强化
2.光谱选择性辐射表面：某些光谱选择性辐射 表面能够比较完全地吸收来自高温物体短波长 的辐射能，同时在自身较低温度下（因而辐射 波长较大）保持不高的发射率，所以可获得较 大的净辐射能。
传热的三种方式 传热的三种方式
1. 导热：物体各部分之间不发生相对位移时， 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运 动而产生的热量传递称为导热（或热传导）。 2. 对流：由于流体的宏观运动，使流体各部分 之间发生相对位移、冷热流体相互掺混，从而 引起的热量传递称为对流。 3.热辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式称 为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中 因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。
二、辐射换热及其强化
3利用热辐射特性减少能量损失：多孔体应用。
炉膛中的烟气在加热工件后，温度仍然较高，为了减少能耗，应设法降 低排烟温度。 可用多层丝网叠合组成的多孔体把工件和燃烧器都包围起来。由于丝网 所包围的体积远小于炉膛体积，因此增加了火焰对工件的直接辐射；而 多孔体吸收火焰辐射能后温度较高，也将向工件发射较多的辐射能并反 射火焰的辐射能，工件区域的温度提高更快，工件受热更为均匀。而流 过多孔体后的烟气温度将比原来没有多孔体时明显降低。 加装多孔体后，可以减少高温燃气对炉壁的辐射和对流换热，降低壁面 温度，减少炉膛壁面散热损失。实验表明，单是一层不锈钢丝网即可使 壁面对流换热系数降低25-50%，辐射换热降低20％左右。
第六节 强化传热的途径
第六节强化传热的途径强化传热指的是用较小的设备传递较多的热量，也就是说要使热交换器单位传热面积的传热速率Q越大越好。
随着科学发展，对换热设备的要求也愈来愈高，要求它能适应很高的热通量，或者能适应很低传热温差。
因此提高设备的换热能力，研制新型的高效率的热交换器，是工业生产的一个重要课题。
由总传热方程Q=KA△t m可知，增大传热总系数K、传热面积A或传热平均温度差△t m,都能使传热速率Q增加。
因此，强化传热的措施要从这三方面来考虑。
一、增大传热面积A传热速率与传热面积成正比，传热面积增加可以使传热强化。
需要注意的是，只有热交换器单位体积内传热面积增大，传热才能强化。
这只有改进传热面结构才能做到。
例如，采用小直径管，或采用翅片管、螺纹管等代替光滑管，可以提高单位体积热交换器的传热面积。
我国浮头式热交换器系列由φ25管改为φ19管后，在壳径D=500～900mm时，传热面积可增加42%，单位传热面积的金属消耗量可降低21～31%。
一些新型的热交换器，象板式、翅片式在增大传热面积方面取得了较好的效果。
列管式热交换器每立方米体积内的传热面积为40～160m2,而板式热交换器每立方米体积内能布置的传热面积为250～1500m2,板翅式更高，一般能达到2500m2,高的可达4350m2以上。
二、增大传热温度差△t m增大传热温度差是强化传热的方法之一。
传热温度差主要是由物料和载热体的温度决定的，物料的温度由生产工艺决定，不能随意变动，载热体的温度则与选择的载热体有关。
载热体的种类很多，温度范围各不相同，但在选择时要考虑技术上可行和经济上合理。
例如，水蒸汽是工业上常用的加热剂，如前所述，水蒸汽有许多优点，但水蒸汽作为加热剂使用其温度通常不超过180℃。
蒸汽温度到200℃时，温度每上升2.5℃就要提高一个大气压，到250℃时，温度每上升1.3℃时就会提高一个大气压。
使用高压蒸汽会使设备庞大，技术要求高，经济效益低，安全性下降。
基于场协同原理的强化传热新视角
基于场协同原理的强化传热新视角【摘要】传热是热力学的重要研究领域，传热效率的提高对于工程技术和能源利用具有重要意义。
基于场协同原理的强化传热新视角为传热研究提供了新的思路和方法。
本文从介绍传热研究的重要性和基于场协同原理的强化传热新视角入手，探讨了场协同原理在强化传热中的应用、传热传质过程的场协同效应分析、基于场协同原理的传热机理研究、场协同对传热效率的提升以及场协同原理在燃料电池传热中的应用等内容。
结论部分指出场协同原理能够有效提高传热效率，为强化传热研究提供了新的思路。
场协同原理的应用将为工程领域的传热问题带来新的发展方向和挑战，值得深入研究和探讨。
【关键词】传热研究、基于场协同原理、强化传热、传热机理、传热效率、燃料电池、场协同效应。
1. 引言1.1 介绍传热研究的重要性传热是热动力学研究的一个重要领域，其在工程学、物理学、化学工程等领域中具有广泛的应用。
传热研究的重要性在于其能够帮助我们更好地理解物质的热传递规律，从而优化热工系统的设计和运行。
通过传热研究，我们可以提高能源利用效率，减少能源消耗，保护环境，促进可持续发展。
传热是许多工程问题的关键，比如在空调系统中的热交换、发电厂的燃烧过程、化工反应器的热传递等都需要传热知识的支持。
传热研究不仅仅是学术领域的重要研究内容，更是产业界的迫切需求。
通过不断深入的传热研究，我们可以不断拓展传热领域的应用范围，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
1.2 介绍基于场协同原理的强化传热新视角传热是热科学中的一个重要领域，其研究对于工程实践和科学理论都具有重大意义。
随着科学技术的不断进步，人们对于传热过程的理解也在不断深化。
基于场协同原理的强化传热新视角，为传热研究提供了全新的思路和方法。
场协同原理是指在传热过程中，通过不同场之间的相互作用和协同效应，实现传热效率的提高和传热性能的优化。
这一理论探讨了传热过程中各种场之间的相互关系，如温度场、压力场、流体场等，通过优化这些场的协同效应，实现传热过程的强化和提高效率。
化工过程强化方法与技术
化工过程强化方法与技术化工过程强化方法与技术是指通过改进传统的化工生产工艺，优化操作条件或引入新的反应方式、设备及材料，以提高化工生产效率、降低成本、减少能源消耗、提高产品质量等方面的技术方法。
一、传质和传热强化技术：1. 使用增加传质或传热表面积的设备，如换热器中使用高效传热管、塔板换热器、螺旋板换热器等。
2. 使用增加气液接触面积的设备，如气体液体剥离塔、几何构造复杂的填料塔等。
3. 引入新的传质或传热方式，如膜分离、吸附等。
4. 使用新型传质介质和传热介质，如多孔陶瓷、导热油等。
二、反应强化技术：1. 采用微反应器技术，将反应器缩小到微米或亚微米尺度，具有高传质、高热传导和高比表面积的特点，可以实现快速而均匀的反应。
2. 引入催化剂或催化剂载体，可以提高反应速率和选择性，如固定床催化剂、流化床催化剂等。
3. 采用固体颗粒床反应器，可实现均匀流动和高传质传热效果，提高反应速率和选择性。
4. 使用超临界流体作为反应介质，具有高溶解度、快速可逆反应、调节反应温度和压力等优点。
三、能量强化技术：1. 使用节能设备和工艺，如低温制冷、废热回收利用等。
2. 引入电场、磁场、声波等外场作用于反应体系，提高反应速率和反应选择性。
3. 采用多级热交换器和热泵等技术，实现热能的高效转换和利用。
四、流体力学强化技术：1. 设计和优化反应器内部结构和流态参数，如搅拌器形状和运行参数，以提高传质传热效果。
2. 采用多相流体动力学模型和计算流体力学模拟等方法，优化反应条件和设备结构，提高反应效果。
五、智能化和自动化技术：1. 应用先进的计算机控制和数据处理技术，实现对化工过程的智能和自动化控制，提高生产效率和产品质量。
2. 配备在线检测和监控设备，实时监测反应条件和产品质量，及时调整操作参数。
这些强化方法和技术的应用可以提高化工过程的效率和经济性，减少对环境的影响，促进化工工业的可持续发展。
强化传热的方法原理及应用
强化传热的方法原理及应用引言强化传热是一种提高传热效率的方法，它可以在不增加传热面积的情况下增加传热速率。
在许多工程和科学领域中，强化传热被广泛应用，如石油化工、核能工程、食品加工等。
本文将介绍几种常见的强化传热方法，并详细解释它们的原理和应用。
1. 使用导热剂增强传热导热剂是一种能够传递热量的物质，通过选择合适的导热剂可以增强传热效果。
常用的导热剂有液体、气体和固体等。
导热剂的选择要考虑其传热性能、安全性和成本等因素。
•液体导热剂：液体导热剂具有较高的导热性能和流动性，可广泛应用于换热设备中。
常见的液体导热剂有水、有机液体和矿物油等。
•气体导热剂：气体导热剂适用于一些特殊工艺，如高温换热和气体传热。
常用的气体导热剂有空气、氮气和氢气等。
•固体导热剂：固体导热剂具有优良的导热性能和稳定性，适用于高温、高压和易燃的工艺。
常见的固体导热剂有金属、陶瓷和载热盘等。
2. 使用增强换热表面换热表面的结构和形状对传热效率有重要影响。
通过改变换热表面的形态和表面特性，可以增加传热面积和传热速率。
•换热增强剂：换热增强剂是一种可以增加换热表面粗糙度的物质，常见的换热增强剂有翅片、肋片、孔洞和螺旋管等。
这些增强剂可以增加传热表面的有效面积，从而提高传热效果。
•换热增强技术：除了增加换热表面粗糙度外，还可以通过其他方式增强换热效果。
例如，采用湍流流动、喷雾冷却和聚焦太阳能等技术可以改变传热表面的流动模式，增强传热效果。
3. 使用传热增强器件传热增强器件是一种可以改变传热介质流动状态的装置，通过改变流动状态来增强传热效果。
•钳流器：钳流器是一种可以制造涡流效应的装置，可以增加传热介质的湍流程度。
通过将钳流器置于传热介质的流动路径上，可以产生涡流，增强传热效果。
•换热螺旋管：换热螺旋管是一种将流体带到螺旋孔中来增加流体流动路径长度的装置。
在换热螺旋管中，流体沿着螺旋孔流动，增加了传热介质与换热表面的接触时间，提高了传热效率。
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
2
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。
×100
表面多孔管结构图
18
表面多孔管
强化传热机制
性能曲线对比
19
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。
8
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
15
3.1 强化传热管元件
热交换设备传热强化技术的新进展
维普资讯
几种 ：对无 相变 的流体 ，可采 用提 高流体流速并减小污垢热
协 同原理 可以发展系列 的传热 强化 与控制 的新 方法 和新 技
术。
序号
．
现有传热强化理论
传热强化的场协同原理
分类研究 ， 分别研究不同对流 基于热 流场和 速度场 的协 同 ， 换热形式 的换热 规律 。 研究对流换热 的统一规律。
其定义为 ： Ｆ 数值的大小 ，反映了某个对流传热过程整体上的协 同 ｃ
程度 。 反映某个对流换热过程 中局部 区域 的场 协同程度 ，可用
定 能量的条件下尽 可能多地传递为某 种过程所 需 的热量 。 自２ ０世纪 ７ ０年代以来 强化传 热成 为国内外传热学界研究 的
该 区域的速度与温度梯度 的局部夹角 Ｂ来 判别 。其协同性 体
阻， 增大 流体对传 热表面 的冲刷 ， 采用粗糙表 面 （ 主要 用于湍 流情况 ） 或产生涡流或造成 湍流 （ 主要用于层流情况 ） 来破坏 流体流动边界层 ， 减薄层流底层 的办法 。对有相变 的流 体 ， 对 于冷凝传热多从减薄传热面上的冷凝膜厚度考虑 ，对于沸腾
（ 无源强化 ） 及主动与被动两种方式的混合强化 。 １ 传热强化的场协 同原理 ． ２ 对换 热物理现 象 的认 识往 往要 经历 长时 间 的探 索与研
究， 随着强化传热技术研究 的发展 ， 在传热理论方 面出现 了新 的概念 和思路 ， 中场协 同原理的创建 是重要方面之一 。 其 （） １ 场协同原理 。１９ ９８年我 国学者过增元院士等对边界 层型的流动进行 能量方程的分析 ，从流场 和温度场相互配合 的角度重新审视 对流换热机制 ，在此基础 上提出了换热强化
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
花隔板换热器与折流板换热器综合性能K/Δp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/Δp 比折流板换热器综合性能K/Δp高10％～30％。
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。
花隔板的试验研究
换热器壳体尺寸为Φ159mm×5mm， 为标准生产件。换热管尺寸 Φ16mm×0.8mm，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°。
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。
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-2
折流板与折流型式-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。
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。
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
管壳式换热器
典型两流程固定管板式管壳式换热器
三流程管壳式换热器
四流程管壳式换热器
浮头式管壳式换热器
U形管管壳式换热器
漏流损失
主流 壳间的间隙漏流 折流板孔隙漏流
流体横掠管束引起诱导振动的原因：
1）漩涡脱落； 2）紊流抖振； 3）流体弹性激振。
紊流能谱及其响应：
流体横掠速度与振动振幅：
诱导振动对换热器的损伤主要表现在：
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、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。
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。
折流板与折流型式-1
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。
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 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 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 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30°， 60°或90°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。
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1.5~1.6倍
管壳式换热器
典型折流板管壳式换热器有不同的管子 排列方式。 正方形排列
三角形排列
三角形排列
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。
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）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。
诱导振动的少与防止