强化传热技术及高效节能设备华谊交流

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螺旋扁管结构图
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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。
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。
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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
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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。
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（3） 空心环式换热器
空心环管 缩放管
壳程介质 管程介质
空心环式换a 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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（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。
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（5）扭曲管换热器
扭曲管结构图
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（5）扭曲管换热器
×100
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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do t h
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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。
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横纹槽管结构图
QKAT
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 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。
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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；
（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％。
➢ 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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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
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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。
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。
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3.1 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2~4倍。
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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。
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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3.2 壳程强化传热
（1 ） 不同形式的折流板换热器
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梅花 孔板
网状 孔板
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3.2 壳程强化传热
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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
... ... ... ... ... .. .. . . .. .. . .
........ ....... ...... ..... .... ... .
图二 弓形折流板示意图
传统折流板式换热器的流体流动形式
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（2） 折流杆式换热器
折流杆
换热管
壳体 折流圈X
折流圈Y 导液缺口
折流杆式换热器（与波纹管组合强化）设计与制造
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corrugated tube (exp.) plain tube (cal.)
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corrugated tube (exp.) plain tube (cal.)
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传热性能对比
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压力降对比
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。