換熱器的強(qiáng)化傳熱

發(fā)布時(shí)間：2010-2-2 瀏覽：3323

  所謂換熱器傳熱強(qiáng)化或增強(qiáng)傳熱是指通過對(duì)影響傳熱的各種因素的分析與計(jì)算，采取某些技術(shù)措施以提高換熱設(shè)備的傳熱量或者在滿足原有傳熱量條件下，使它的體積縮小。換熱器傳熱強(qiáng)化通常使用的手段包括三類：擴(kuò)展傳熱面積（F）；加大傳熱溫差；提高傳熱系數(shù)（K）。
1、換熱器強(qiáng)化傳熱的方式
1.1 擴(kuò)展傳熱面積F
    擴(kuò)展傳熱面積是增加傳熱效果使用最多、最簡(jiǎn)單的一種方法。在擴(kuò)展換熱器傳熱面積的過程中，如果簡(jiǎn)單的通過單一地?cái)U(kuò)大設(shè)備體積來增加傳熱面積或增加設(shè)備臺(tái)數(shù)來增強(qiáng)傳熱量，不光需要增加設(shè)備投資，設(shè)備占地面積大、同時(shí)，對(duì)傳熱效果的增強(qiáng)作用也不明顯，這種方法現(xiàn)在已經(jīng)淘汰�，F(xiàn)在使用最多的是通過合理地提高設(shè)備單位體積的傳熱面積來達(dá)到增強(qiáng)傳熱效果的目的，如在換熱器上大量使用單位體積傳熱面積比較大的翅片管、波紋管、板翅傳熱面等材料，通過這些材料的使用，單臺(tái)設(shè)備的單位體積的傳熱面積會(huì)明顯提高，充分達(dá)到換熱設(shè)備高效、緊湊的目的。
1.2 加大傳熱溫差Δt
    加大換熱器傳熱溫差Δt是加強(qiáng)換熱器換熱效果常用的措施之一。
    在換熱器使用過程中，提高輻射采暖板管內(nèi)蒸汽的壓力，提高熱水采暖的熱水溫度，冷凝器冷卻水用溫度較低的深井水代替自來水，空氣冷卻器中降低冷卻水的溫度等，都可以直接增加換熱器傳熱溫差Δt。
    但是，增加換熱器傳熱溫差Δt是有一定限度的，我們不能把它作為增強(qiáng)換熱器傳熱效果最主要的手段，使用過程中我們應(yīng)該考慮到實(shí)際工藝或設(shè)備條件上是否允許。例如，我們?cè)谔岣咻椛洳膳�板的蒸汽溫度過程中，不能超過輻射采暖允許的輻射強(qiáng)度，輻射采暖板蒸汽溫度的增加實(shí)際上是一種受限制的增加，依靠增加換熱器傳熱溫差Δt只能有限度的提高換熱器換熱效果；同時(shí)，我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，傳熱溫差的增大將使整個(gè)熱力系統(tǒng)的不可逆性增加，降低了熱力系統(tǒng)的可用性。所以，不能一味追求傳熱溫差的增加，而應(yīng)兼顧整個(gè)熱力系統(tǒng)的能量合理使用。
1.3 增強(qiáng)傳熱系數(shù)（K）
    增強(qiáng)換熱器傳熱效果最積極的措施就是設(shè)法提高設(shè)備的傳熱系數(shù)（K）。
    換熱器傳熱系數(shù)（K）的大小實(shí)際上是由傳熱過程總熱阻的大小來決定，換熱器傳熱過程中的總熱阻越大，換熱器傳熱系數(shù)（K）值也就越低；換熱器傳熱系數(shù)（K）值越低，換熱器傳熱效果也就越差。
    換熱器在使用過程中，其總熱阻是各項(xiàng)分熱阻的疊加，所以要改變傳熱系數(shù)就必須分析傳熱過程的每一項(xiàng)分熱阻。如何控制換熱器傳熱過程的每一項(xiàng)分熱阻是決定換熱器傳熱系數(shù)的關(guān)鍵。
    上述三方面增強(qiáng)傳熱效果的方法在換熱器都或多或少的獲得了使用，但是由于擴(kuò)展傳熱面積及加大傳熱溫差常常受到場(chǎng)地、設(shè)備、資金、效果的限制，不可能無限制的增強(qiáng)，所以，當(dāng)前換熱器強(qiáng)化傳熱的研究主要方向就是：如何通過控制換熱器傳熱系數(shù)（K）值來提高換熱器強(qiáng)化傳熱的效果。我們現(xiàn)在使用最多的提高換熱器傳熱系數(shù)（K）值的技術(shù)就是：在換熱器換熱管中加擾流子添加物，通過擾流子添加物的作用，使換熱器傳熱過程的分熱阻大大的降低，并且最終來達(dá)到提高換熱器傳熱系數(shù)（K）值的目的。
2、換熱器上擾流子強(qiáng)化傳熱的使用
    換熱器在傳熱過程中，影響換熱器傳熱系數(shù)（K）的主要因素包括：換熱器內(nèi)、外部液體的流動(dòng)狀態(tài)，換熱面的形狀及尺寸等。為了提高換熱器的傳熱系數(shù)，強(qiáng)化換熱器的傳熱效率，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了多種強(qiáng)化元件及強(qiáng)化措施，主要包括在換熱器中使用螺紋管、橫紋管、縮放管、大導(dǎo)程多頭溝槽管、整體雙面螺旋翅片管以及在換熱管中加擾流子來強(qiáng)化管內(nèi)換熱等。其中，在換熱管中加擾流子添加物進(jìn)行強(qiáng)化傳熱在工業(yè)上已使用了多年，它可以使換熱器總的傳熱系數(shù)出現(xiàn)明顯的提高，可以大大節(jié)省換熱器的傳熱面積，降低設(shè)備重量，節(jié)約大量金屬材料，它的許多優(yōu)點(diǎn)已日益引起人們的重視。
    將對(duì)換熱器擾流子強(qiáng)化傳熱的原理及特點(diǎn)作以下詳細(xì)論述
2.1 擾流子強(qiáng)化元件的種類和共同特點(diǎn)
    擾流子強(qiáng)化元件有多種形式，現(xiàn)在使用最多的包括:金屬絲制元件、金屬螺旋圈、盤狀構(gòu)件、麻花鐵、翼形物等。這些擾流子強(qiáng)化元件有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是：在換熱器換熱管中這些擾流子添加物可以有效降低換熱器傳熱過程中的總熱阻，大大地提高換熱器的傳熱系數(shù)（K）值，對(duì)換熱器的傳熱效果增強(qiáng)明顯。
2.2 擾流子強(qiáng)化傳熱的原理
    研究表明，加入到換熱器換熱管中的擾流子添加物可以使換熱管內(nèi)流動(dòng)的液體產(chǎn)生明顯的螺旋運(yùn)動(dòng)。換句話說，在換熱器換熱管中加入擾流子添加物，就相當(dāng)于在換熱器換熱管中加入空隙率ε≥95%的多孔體，當(dāng)換熱器換熱管中流動(dòng)的液體流經(jīng)這些擾流子添加物以后，流道內(nèi)將產(chǎn)生明顯的彌散流動(dòng)效應(yīng)，在低雷諾數(shù)下（Re≥300），由于彌散流動(dòng)的促進(jìn)，使換熱器換熱管中的液體轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧�。湍流狀態(tài)的流動(dòng)液體其總熱阻是所有流態(tài)液體中最小的，由于換熱器換熱管中湍流狀態(tài)的流動(dòng)液體熱阻非常小，所以，換熱器的傳熱系數(shù)（K）值將大大增加。在高的傳熱系數(shù)（K）值狀態(tài)下，換熱器中擾流子強(qiáng)化傳熱的效果就會(huì)非常明顯。
    當(dāng)然換熱器中的擾流子對(duì)流經(jīng)換熱管的不同介質(zhì)，其強(qiáng)化傳熱的效果是有區(qū)別的。并且，換熱管內(nèi)擾流元件的形狀和在傳熱面上的安裝方法，對(duì)傳熱和流阻都有影響，一般可通過實(shí)驗(yàn)確定其最佳形式。例如試驗(yàn)表明：在管道的全長(zhǎng)填滿螺旋形金屬絲與間斷設(shè)置螺旋圈相比，后者在傳熱性能不變時(shí)可減小流阻。
    關(guān)于擾流子強(qiáng)化傳熱的原理，還有許多其它見解，有的專家認(rèn)為擾流子強(qiáng)化傳熱是基于加大了傳熱面積和粗糙度，這無疑是正確的。但試驗(yàn)表明，即使不緊貼壁面安裝，則軸向固定在流道中心的擾流子也能使α值加大，有人解釋為填充物能產(chǎn)生持續(xù)不斷的渦流，并沿流向產(chǎn)生一個(gè)中心旋轉(zhuǎn)流，在離心力的影響下使管中心的流體與壁面邊界層流體充分混合。從而減薄了邊界層，強(qiáng)化了傳熱。總的看，有關(guān)擾流子強(qiáng)化傳熱的理論還不完備和一致，一些數(shù)據(jù)僅來自實(shí)驗(yàn)，有待于更多的科研人員開發(fā)和利用。
2.3 擾流子強(qiáng)化傳熱的特點(diǎn)
    在換熱器換熱管中加擾流子添加物，最明顯的特點(diǎn)就是大大增強(qiáng)了換熱管內(nèi)側(cè)的換熱系數(shù)。試驗(yàn)表明，在換熱器換熱管中加擾流子添加物，換熱管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)可比光管提高3.5倍以上。
    擾流子強(qiáng)化傳熱除了減少金屬消耗，它還可以提高工廠熱能利用效率，降低能耗。目前，一些設(shè)計(jì)追求高熱強(qiáng)度，而管殼式換熱器由于傳熱效率低，設(shè)計(jì)中采用的主要手段是選擇提高對(duì)數(shù)平均溫差，這要導(dǎo)致能耗的大幅度增加。以煉油廠常減壓裝置為例，傳熱溫差為60℃，以熱—冷流體260～200℃計(jì)算，傳熱占熱流21.5%，如果將溫差降至33℃，傳熱損可降至10%采用擾流子強(qiáng)化傳熱的換熱器，在保證換熱強(qiáng)度不變的情況下，可以顯著降低傳熱溫差，從而降低了熱損更好地實(shí)現(xiàn)能級(jí)匹配，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
    采用擾流子強(qiáng)化傳熱，另一優(yōu)點(diǎn)就是可有效地抑制污垢的生成。結(jié)垢是換熱器非常棘手的問題。污垢使傳熱效率下降，它的導(dǎo)熱性能差，只有鋼的1/30～1/50。對(duì)碳鋼管油冷卻器，當(dāng)水垢厚度達(dá)到2mm時(shí)，將比新制無垢時(shí)的運(yùn)行效率下降30%。美國(guó)傳熱研究公司對(duì)換熱器的污垢問題進(jìn)行了多年的研究，發(fā)現(xiàn)污垢的形成、生長(zhǎng)，主要與介質(zhì)溫度和流速有關(guān)，介質(zhì)溫度越高，介質(zhì)與壁面溫差越大，流速越低，越易形成污垢。為了消除管側(cè)污垢，國(guó)外一些廠家通過提高管內(nèi)流速（V＝2～3m/s），但這帶來過高的壓降，能耗很大。采用擾流子強(qiáng)化傳熱的換熱器，設(shè)備管側(cè)的污垢顯著減少。首先，由于流體的彌散流動(dòng)，介質(zhì)的溫度梯度較小，抑制了污垢的形成、生長(zhǎng)；其次，由于彌散流紊動(dòng)度很高（擾流子強(qiáng)化相當(dāng)于靜態(tài)攪拌器），流體中的雜質(zhì)不易沉積成垢。
    使用擾流子強(qiáng)化傳熱換熱器的清洗十分方便。短時(shí)期清洗時(shí)，可不抽出強(qiáng)化元件，用水速為V＞0.8m/s的清洗水沖刷管程即可。實(shí)驗(yàn)表明。當(dāng)水速達(dá)到0.8m/s時(shí)，水流將產(chǎn)生強(qiáng)烈的彌散渦流，對(duì)管壁有很強(qiáng)的沖刷效應(yīng)。因此，可以比較干凈地除掉擾流子及管壁上的垢物。如果長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后清洗，可抽出強(qiáng)化元件，分別清洗擾流子與管壁，這也很便于實(shí)施。
    擾流子強(qiáng)化傳熱元件非常易于裝拆、安裝，日常維護(hù)簡(jiǎn)便，對(duì)舊設(shè)備的革新挖潛尤為有利。