换热器的强化传热

换热器的强化传热

摘要：所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积（F）；加大传热温差；提高传热系数（K）提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高技能换热设备[1]。这可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。换热器的开发与研究成为人关注的课题。大量的强化传热技术应用于工业装置，我国换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐崛起。与此同时，近几年,我国在大型管壳式换热器、大直径螺纹锁紧环高压换热器、高效节能板壳式换热器、大型板式空气预热器方面也获得了重大突破[3]。国外在换热器的强化传热研究、强化传热元件开发、新型壳程结构设计中也有了突破性的进展[4]

关键词: 换热器; 节能减排; 强化传热；结构；优化；优化设计

1 换热器强化传热的方式

1.1 扩展传热面积F

扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。在扩展换热器传热面积的过程中，如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热量，不光需要增加设备投资，设备占地面积大、同时，对传热效果的增强作用也不明显，这种方法现在已经淘汰。现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备高效、紧凑的目的。

1.2 加大传热温差Δt

加大换热器传热温差Δt是加强换热器换热效果常用的措施之一。在换热器使用过程中，提高辐射采暖板管内蒸汽的压力，提高热水采暖的热水温度，冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水，空气冷却器中降低冷却水的温度等，都可以直接增加换热器传热温差Δt。但是，增加换热器传热温差Δt是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段，使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。例如，我们在提高辐射采暖板的蒸汽温度过程中，不能超过辐射采暖允许的辐射强度，辐射采暖板蒸汽温度的增加实际上是一种受限制的增加，依靠增加换热器传热温差Δt只能有限度的提高换热器换热效果；同时，我们应该认识到，传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。所以，不能一味追求传热温差的增加，而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。

1.3 增强传热系数（K）

增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。

换热器传热系数（K）的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定，换热器传热过程中的总热阻越大，换热器传热系数（K）值也就越低；换热器传热系数（K）值越低，换热器传热效果也就越差。换热器在使用过程中，其总热阻是各项分热阻的叠加，所以要改变传热系数就必须分析传热过程的每一项分热阻。如何控制换热器传热过程的每一项分热阻是决定换热器传热系数的关键。上述三方面增强传热效果的方法在换热器都或多或少的获得了使用，但是由于扩展传热面积及加大传热温差常常受到场地、设备、资金、效果的限制，不可能无限制的增强，所以，当前换热器强化传热的研究主要方向就是：如何通过控制换热器传热系数（K）值来提高换热器强化传热的效果。我们现在使用最多的提高换热器传热系数（K）值的技术就是：在换热器换热管中加扰流子添加物，通过扰流子添加物的作用，使换热器传热过程的分热阻大大的降低，并且最终来达到提高换热器传热系数（K）值的目的。

总传热系数K的计算公式为:

(1/K)=d2/(α1d1) + R1(d2/d1) +(δ/λ) (d2/dm)+R2 +α2

式中:

d1 —管内径;

d2 —管外径;

dm —管平均直径;

α1—管内侧对流传热系数;

α2—管外侧对流传热系数;

R1—管内侧污垢热阻;

R2—管外侧污垢热阻;

λ—管壁材料的导热系数;

δ—管壁厚度。

从上式中可知: 要提高传热系数, 必须设法提高α1 和α2及λ, 降低δ和内外污垢热阻R1 和R2。当两个α值相差较大时, 要想K值提高, 应设法使α值小的增大; 当两个α值比较接近时, 则应同时予以提高。根据对流传热的分析, 对流传热的热阻主要集中在靠近管壁的层流内层里, 在层流内层里的传热以传导方式进行, 而流体导热系数又很小。针对这些情况, 可以相应采取一些措施:

(1) 增加湍流程度, 以减小层流内层的厚度, 具体的方法是:

○1增加流体的流速。例如, 在列管换热器内可以采用多管程; 在夹套式换热器内增加搅拌等, 都可以增加流体的速度。但是, 随着流体流速的增加, 流体阻力也跟着增加。因此, 流速的增加也是有一定局限性的。

○2改变流动条件。如果使流体在流动过程中不断改变流动方向, 可以使流体在较低的流速下就达到湍流. 例如, 在列管换热器的壳常可增设圆缺形或环形挡板, 以提高管外的对流传热系数; 板式换热器中, 流体在波形的板面间流动,

当Re= 200即进入湍流状态。

(2) 采用导热系数较大的载体

选用K较大的载热体可减少层流内层的热阻,增大流体的对流传热系数. 目

前原子能工业中采用液态金属作为载热体, 其导热系数比水的大十几倍,大大加快了传热速率。

(3) 采用有相变的载热体

用饱和水蒸汽作加热剂比用热水作加热剂的传热效果就要好的多。

(4) 采用导热系数大的传热壁面

(5) 减小污垢热阻

污垢的存在将会使传热系数大大降低。实践证明, 1mm 厚的水垢约相当于

40mm 厚钢板的热阻。当换热器使用时间一长, 垢层热阻将成为影响传热速率的重要因素, 因此, 防止结垢和及时除垢, 也成为强化传热的一个重要方法。例如, 增加流速可减弱垢层的形成和增厚; 易结垢的流体常安排在管方流动, 以便于

清洗, 采用机械或化学的方法或采用可拆卸换热器的结构, 以便于垢层的清除。显然, 强化传热的途径和和方法是多方面的, 凡是可以利用的因素都应当尽可

能的加以利用和发挥。但是, 任何事物都是一分为二的, 某些措施和结构虽然有强化传热的作用, 但也可能出现另一方面的问题, 例如, 采用高压蒸汽可提高

传热平均温度差, 但从经济角度和节能考虑, 则应尽量避免采用;一些新型换热器从强化传热角度来看是先进的, 但也会出现结构复杂、价格较贵、检查不便等的缺点。因此, 对于某些实际的传热过程, 应作具体分析, 即抓住影响强化传热矛盾的主要方面; 并结合设备结构、动力消耗、检修操作等予以全面考虑, 采取经济而合理的强化传热的方法。

2 强化传热技术的分类

强化传热技术分为被动式强化技术(亦称为无功技术或无源强化技术)和主

动式强化技术(亦称为有功技术或有源强化技术)。前者是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术; 后者是指需要加入额外动力以达到强化传热目的

的技术。

2.1被动式强化传热技术

2.1.1 处理表面

包括对表面粗糙度的小尺度改变和对表面进行连续或不连续的涂层。可通过烧结、机械加工和电化学腐蚀等方法将传热表面处理成多孔表面或锯齿形表面, 如开槽、模压、碾压、轧制、滚花、疏水涂层和多孔涂层等。此种处理表面的粗糙度达不到影响单相流体传热的高度, 通常用于强化沸腾传热和冷凝传热。

2.1.2 粗糙表面

该方法已发展出很多构形, 包括从随机的沙粒型粗糙表面到带有离散的凸

起物(粗糙元)的粗糙表面。通常, 可通过机械加工、碾轧和电化学腐蚀等方法制作粗糙表面。粗糙表面主要是通过促进近壁区流体的湍流强度、阻隔边界层连续发展减小层流底层的厚度来降低热阻, 而不是靠增大传热面积来达到强化传热