强化传热元件与高效换热器研究进展
责任编辑：chineselng 浏览：2452次 时间： 2008-04-05 21:19:23
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摘要:张龙陈峰华(山东华鲁恒升集团，德州253024)[摘要】综述了国、内外近年来强化传热元件与高效换热器的研究概况，扼要报道了强化传热元件和高效换热器的研究进展。[关键词】强化传热强化传热元件高效换热器强k1M7ugn*AZ0IJA效换热设备设计制造的基础。近年来推出的多种..
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张龙 陈峰华 (山东华鲁恒升集团，德州253024) [摘要】综述了国、内外近年来强化传热元件与高效换热器的研究概况，扼要报道了强化传热元件和高效换热器的研究进展。 [关键词】强化传热 强化传热元件 高效换热器 强k1M7ugn*AZ0IJA效换热设备设计制造的基础。近年来推出的多种强化传热元件的研究成果，为化工、石油化工、动力、制冷、轻工、冶金、电子等行业提供了多种新型高效的换热设备，对现有换热系统能量的综合利用、换热设备的技术改造与新能源、新设备的开发创造了条件。随着现代工业技术的不断发展，新工艺、新技术的广泛应用必然带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。换热设备性能的优劣直接影响到新工艺、新技术、新装置的经济效益，强化传热元件与高效换热设备的开发研究是提高专业换热设备制造厂家经济效益的一条重要途径。目前强化传热元件与高效换热器已可根据不同的工艺条件与换热工况设计、制造不同需要的强化传热元件和相应的换热设备，在化工、石油化工、制冷等行业已有较广泛的应用，取得了较大的经济效益。 强化传热元件研究与高效换热器开发针 对 我 国中型氮肥厂换热设备陈旧落后、大量的设备急需更新换代的状况，采用高效强化传热元件开发新型的换热设备，并迅速地投人生产应用，在减少原材料消耗的同时，提高了设备单位重量的换热负荷，获得了满意的效果。 新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明，列管式换热器已进人一个新的研究时期。无论是换热器传热管件，还是壳程的折流结构与传统的管壳式换热器都有了较大的改变，新型管壳式换热器的流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果，从理论研究到结构设计等方面均有了新的进步。各大专院校对强化传热元件的开发作了较多的研究，开发研究的强化传热元件有强化，单相流体传热的螺旋槽管、横纹管、缩放管、大导程多头沟槽管、整体双面螺旋翅片管以及管内插人物等;相变传热强化冷凝传热的有锯齿形翅片管、凹面锯齿形翅片管、低螺旋翅片管、径向辐射槽管等，强化沸腾传热的有烧结形表面多孔管、机械加工表面多孔管、T形翅片管、ECR-40管等;强化多相流传热的有整体型多头内螺旋翅片管、错齿形翅片管等;多纵向涡强化换热管等.针对不同的传热过程研究推出不同的强化传热元件，并有诸多的研究论文在国内外有关刊物上发表。在强化传热元件的研究达到一定深度的基础上，壳程折流结构是一个不容忽视的研究课题。不同强化传热元件，应有相应的壳程折流结构与其匹配，这样才能获得最佳的传热效果。 1.1 横纹管折流杆换热器 这是融合了折流杆换热器技术与横纹管强化传热技术的一种高效换热器。折流杆换热器是美国菲利普公司在上世纪70年代，为解决天然气换热器的流体诱导振动问题开发的一种杆式折流栅换热器。其特点是抗振力强，消除了壳程滞流区，改善了壳程流体的速度和温度的分布。经使用，强化传热元件螺旋槽管用于折流杆换热器，节省换热面积接近60%，效果十分显著川。目前螺旋槽管折流杆换热器在一些化工机械厂已进人系列化生产。随着各种强化传热元件的开发，可根据不同的工业应用场合，采用不同的强化传热元件，组装不同换热管型的折流杆换热器。横纹管折流杆换热器的开发应用结果证明，强化传热元件与折流杆的有机组合，在提高管程换热速率的同时也可提高壳程的换热速率。工业运行证明横纹管具有传热效率高、流体阻力小、抗振性能好的特点。 1.2 缩放管整圆槽孔折流栅板换热器 缩放管整圆槽孔折流栅板换热器是近两年来开发的一种新型换热器，是又一种强化传热元件与新型壳程折流结构的优化组合。通常认为强化对流给热的方法是反复改变纵向压力梯度作用下流体的流动，这种流动方式由依次交替的扩展段和收缩段来实现。大量研究证明，波型通道在相同流动阻力下，较平行流道具有更高的传热性能。缩放管其扩展段产生的剧烈漩涡被流体带起并在收缩段得到有效的利用，收缩段还利用了流体粘附层速度提高的效果;整圆槽孔折流栅板即折流栅板为一个整圆不开弓形口而铣通每排管的管桥，槽孔参数可根据壳程所需流速的大小来确定。缩放管整圆槽孔折流栅板换热器工业应用操作运行的结果表明具有显著的强化传热的效果。 1.3 螺旋扁管换热器 螺旋扁管 (TwistealT ube)是瑞典Allares公司近年推出的一种高效换热元件[3]0螺旋扁管的结构特点是管子换热段的任一截面均为一长圆，当组装成换热器时可以是混合管束(即螺旋扁管与光滑管混合使用)，也可以是纯螺旋扁管。螺旋扁管的制造过程由“压扁”、“热扭”两个成形过程完成。管子截面类似于椭圆管，长圆的长、短轴之比值根据换热器管程和壳程的流速设计确定。当管程流量较低时，可增大长、短轴之比值，减少流通截面积以提高流速，使换热器两侧处于较理想的流动状态。从管型、管束的结构分析，可以认为螺旋扁管的强化传热机理主要在于:螺旋扁管独特的结构能使管程与壳程同时处于螺旋流运动，促进了湍流程度。据文献「3]报道，螺旋扁管组装的换热器较常规的换热器的总传热系数高40%，而压力降几乎相等。这与以增大泵功率的消耗来提高传热速率具有截然不同的效果。螺旋扁管换热器可以用于气一气、液一液、气一液换热 过程，在化工、石油化工行业中具有广阔的应用前景。 1.4 波节管管壳式换热器 波节管管壳式换热器是一种新型的强化传热节能高效换热设备。它是在传统的列管式换热器的基础上，应用强化传热和弹性力学理论对传统的各类换热器进行了突破。它继承了列管式换热器的坚固、耐用、安全、可靠等优点，同时又克服了其换热能力差，易结垢的缺点。波节管采用薄壁的不锈钢管加工制成，纵向成波纹形状，横截面成圆形。由于这些结构形式，使得它具有传热效率高，如在水一水、水一气传热时最高传热系数K值可达5000W/m2k;不易结垢，有一定的补偿能力。现在一些生产厂家已经实现工业化生产，在石化、热电、化工等行业应用，取得了良好的效益。 1.5 多纵向涡强化换热管 多纵向涡强化换热管根据对流换热场协同强化换热理论，对管内对流换热进行理论和数值分析表明，多纵向涡流为管内最佳强化换热方式，其换热强化效果 显著而流动阻力较小。国内外研究也表明纵向涡流能较显著的强化换热，在相同的压力损失条件下纵向涡比横向涡具有更好的强化换热效果。不连续双斜向内肋 管和交叉缩放椭圆管，是根据清华大学过增元院士提出的场协同理论研发的两种多纵向涡新型强化换热元件，并已申请了中国专利和国际专利。 1.5.1不连续双斜内肋强化换热管 不连续双斜内肋强化换热管(简称DDIR-tube)是在换热管的内壁面形成许多不连续的、与轴线有一定夹角、并向两个方向倾斜的棱状凸起物— 双斜内肋。所谓的“不连续”是相对于螺旋槽管(螺旋连续)、螺纹管(螺旋连续)、横槽管(周向连续)而言，是一种具有一定长度的粗糙元(棱状凸起)。管内流体在管壁上多个双斜内肋的作用下产生多纵向涡流，且涡流主要集中在管壁面附近，从而使对流换热得到强化。其流动表现为复杂的多纵向涡旋流流动。这种多纵向涡流动 的形成，改善了速度场和热流场的协同程度，从而使换热得到强化。不连续双斜向内肋管的肋附近不存在流动死区，而且还存在较大的冲刷壁面的流动，表明该强化管还具有良好的抗结垢功能。 1.5.2 交叉缩放椭圆换热管 交叉缩放椭圆换热管(简称AEA-tube)是以截面相互交叉的椭圆形截面管段为换热主体，其相邻交叉椭圆形截面管段之间存在过渡段。由于过渡段较短，在过渡段处一方向的渐扩和在另一方向的渐缩，使流体产生强烈的垂直于主流方向的流动，并在椭圆直段发展为多纵向涡流。即交叉缩放椭圆管是利用椭圆形截面(一次表面)自身的交错变化使流动在管截面内诱导出多个多纵向涡，在管内形成多纵向涡流动。交叉缩放椭圆换热管轴向截面积变化较小，因而在强化换热的同时，其流阻增加较少。 1.5.3 两种换热管的换热效果与热阻 对于不连续双斜向内肋管，在低Re区(Re=500-2300)换热量可提高为普通光滑换热管的3.9-5倍，在中高区(Re=2300-5x104)换热量可提高为普通光滑换热管的1.5-2.7倍。对于交叉缩放椭圆管，在低Re区(Re =500 -2300)换热量可提高为普通光滑换热管的2.7-3.9倍，在中高区(Re=2300-5 x 104)换热量可提高为普通光滑换热管的1.05-2.1倍。在热阻方面，不连续双斜向内肋管要明显低于波节管、横向槽纹管等其它高效换热管，不连续双斜向内肋管而且不易结垢，具有更广泛的应用场合，因而可广泛应用于石油化工、能源动力、建筑供热等行业。而且不连续双斜向内肋管还具有良好的可制造性，对材料无限制，并可高效率低成本生产。不连续双斜向内肋管与螺旋槽管相比，不仅换热更佳而且制造更高效。因此，不连续双斜向内肋管是一种具有优良综合性能的强化换热管。 1.5.4 多纵向涡新型强化换热管的优点 (1) 强化换热效果显著，流阻小。 (2) 具有残余应力小、不易结垢和振动小等优点，使用寿命更长。 (3) 采用专用机具冷成型，产品质量稳定，生产效率高，成本低。 (4) 可实现GB151中的全部标准结构形式，具有完全的通用性，应用广泛。该高效换热器管束可实现折流板和折流杆结构，其壳体结构与普通换热器完全一致，便于应用推广。 采用多纵向涡传热强化技术研制的高效换热器，可广泛应用或替代传统管壳式换热器，市场前景广阔。开发和应用这种新产品，特别是在石油化工、热电等装置的改扩建和节能降耗工作中使用，可取得较大的经济效益，其社会效益显著。 2 结语 综上所述 ，强化传热元件的开发研究必然会带来多种壳程折流结构研究的进步，强化传热元件管内流动状态的改变，管间折流形式要研究相应的结构与之相适应，这样才能达到管内与管间整体强化传热的效果。工业应用结果表明了多种强化传热元件的研究成果是一个基础，新型壳程折流结构的开发使管壳式换热器的折流结构不断变化。目前可以根据不同的操作条件、不同的使用工况，组合成各类新型高效的换热器门 参考文献: 1.过增元，猛继安《清华学报》1999 2.陆应生，庄礼贤，阮志强《化工进展》198 8(3) |
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