換熱器的強化傳熱
- 2019-06-14 14:49:25 -
所謂換熱器傳熱強化或增強傳熱是指通過對影響傳熱的各種因素的分析與計算，采取某些技術措施以提高換熱設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。換熱器傳熱強化通常使用的手段包括三類：擴展傳熱面積(F)；加大傳熱溫差；提高傳熱系數(K)。1換熱器強化傳熱的方式1.1擴展傳熱面積F
擴展傳熱面積是增加傳熱效果使用最多、最簡單的一種方法。在擴展換熱器傳熱面積的過程中，如果簡單的通過單一地擴大設備體積來增加傳熱面積或增加設備臺數來增強傳熱量，不光需要增加設備投資，設備占地面積大、同時，對傳熱效果的增強作用也不明顯，這種方法現在已經淘汰。現在使用最多的是通過合理地提高設備單位體積的傳熱面積來達到增強傳熱效果的目的，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，單臺設備的單位體積的傳熱面積會明顯提高，充分達到換熱設備高效、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換熱器傳熱效果最主要的手段，使用過程中我們應該考慮到實際工藝或設備條件上是否允許。例如，我們在提高輻射采暖板的蒸汽溫度過程中，不能超過輻射采暖允許的輻射強度，輻射采暖板蒸汽溫度的增加實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，我們應該認識到，傳熱溫差的增大將使整個熱力系統的不可逆性增加，降低了熱力系統的可用性。所以，不能一味追求傳熱溫差的增加，而應兼顧整個熱力系統的能量合理使用。1.3增強傳熱系數(K)
增強換熱器傳熱效果最積極的措施就是設法提高設備的傳熱系數(K)。
換熱器傳熱系數(K)的大小實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(K)值也就越低；換熱器傳熱系數(K)值越低，換熱器傳熱效果也就越差。
換熱器在使用過程中，其總熱阻是各項分熱阻的疊加，所以要改變傳熱系數就必須分析傳熱過程的每一項分熱阻。如何控制換熱器傳熱過程的每一項分熱阻是決定換熱器傳熱系數的關鍵。
上述三方面增強傳熱效果的方法在換熱器都或多或少的獲得了使用，但是由于擴展傳熱面積及加大傳熱溫差常常受到場地、設備、資金、效果的限制，不可能無限制的增強，所以，當前換熱器強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(K)值來提高換熱器強化傳熱的效果。我們現在使用最多的提高換熱器傳熱系數(K)值的技術就是：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，并且最終來達到提高換熱器傳熱系數(K)值的目的。2 .換熱器上擾流子強化傳熱的使用
換熱器在傳熱過程中，影響換熱器傳熱系數(K)的主要因素包括：換熱器內、外部液體的流動狀態，換熱面的形狀及尺寸等。為了提高換熱器的傳熱系數，強化換熱器的傳熱效率，國內外出現了多種強化元件及強化措施，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化管內換熱等。其中，在換熱管中加擾流子添加物進行強化傳熱在工業上已使用了多年，它可以使換熱器總的傳熱系數出現明顯的提高，可以大大節省換熱器的傳熱面積，降低設備重量，節約大量金屬材料，它的許多優點已日益引起人們的重視。
將對換熱器擾流子強化傳熱的原理及特點作以下詳細論述2.1擾流子強化元件的種類和共同特點
擾流子強化元件有多種形式，現在使用最多的包括:金屬絲制元件、金屬螺旋圈、盤狀構件、麻花鐵、翼形物等。這些擾流子強化元件有一個共同的特點就是：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(K)值，對換熱器的傳熱效果增強明顯。2.2擾流子強化傳熱的原理
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流動的液體產生明顯的螺旋運動。換句話說，在換熱器換熱管中加入擾流子添加物，就相當于在換熱器換熱管中加入空隙率ε≥95%的多孔體，當換熱器換熱管中流動的液體流經這些擾流子添加物以后，流道內將產生明顯的彌散流動效應，在低雷諾數下(Re≥300)，由于彌散流動的促進，使換熱器換熱管中的液體轉變為湍流。湍流狀態的流動液體其總熱阻是所有流態液體中最小的，由于換熱器換熱管中湍流狀態的流動液體熱阻非常小，所以，換熱器的傳熱系數(K)值將大大增加。在高的傳熱系數(K)值狀態下，換熱器中擾流子強化傳熱的效果就會非常明顯。
當然換熱器中的擾流子對流經換熱管的不同介質，其強化傳熱的效果是有區別的。并且，換熱管內擾流元件的形狀和在傳熱面上的安裝方法，對傳熱和流阻都有影響，一般可通過實驗確定其最佳形式。例如試驗表明：在管道的全長填滿螺旋形金屬絲與間斷設置螺旋圈相比，后者在傳熱性能不變時可減小流阻。
關于擾流子強化傳熱的原理，還有許多其它見解，有的專家認為擾流子強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生持續不斷的渦流，并沿流向產生一個中心旋轉流，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，強化了傳熱。總的看，有關擾流子強化傳熱的理論還不完備和一致，一些數據僅來自實驗，有待于更多的科研人員開發和利用。2.3擾流子強化傳熱的特點
在換熱器換熱管中加擾流子添加物，最明顯的特點就是大大增強了換熱管內側的換熱系數。試驗表明，在換熱器換熱管中加擾流子添加物，換熱管內側換熱系數可比光管提高3.5倍以上。
擾流子強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，一些設計追求高熱強度，而管殼式換熱器由于傳熱效率低，設計中采用的主要手段是選擇提高對數平均溫差，這要導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%采用擾流子強化傳熱的換熱器，在保證換熱強度不變的情況下，可以顯著降低傳熱溫差，從而降低了熱損更好地實現能級匹配，達到節能降耗的目的。
采用擾流子強化傳熱，另一優點就是可有效地抑制污垢的生成。結垢是換熱器非常棘手的問題。污垢使傳熱效率下降，它的導熱性能差，只有鋼的1/30～1/50。對碳鋼管油冷卻器，當水垢厚度達到2mm時，將比新制無垢時的運行效率下降30%。美國傳熱研究公司對換熱器的污垢問題進行了多年的研究，發現污垢的形成、生長，主要與介質溫度和流速有關，介質溫度越高，介質與壁面溫差越大，流速越低，越易形成污垢。為了消除管側污垢，國外一些廠家通過提高管內流速(V＝2～3m/s)，但這帶來過高的壓降，能耗很大。采用擾流子強化傳熱的換熱器，設備管側的污垢顯著減少。首先，由于流體的彌散流動，介質的溫度梯度較小，抑制了污垢的形成、生長；其次，由于彌散流紊動度很高(擾流子強化相當于靜態攪拌器)，流體中的雜質不易沉積成垢。
使用擾流子強化傳熱換熱器的清洗十分方便。短時期清洗時，可不抽出強化元件，用水速為V＞0.8m/s的清洗水沖刷管程即可。實驗表明。當水速達到0.8m/s時，水流將產生強烈的彌散渦流，對管壁有很強的沖刷效應。因此，可以比較干凈地除掉擾流子及管壁上的垢物。如果長時間運行后清洗，可抽出強化元件，分別清洗擾流子與管壁，這也很便于實施。
擴展傳熱面積是增加傳熱效果使用最多、最簡單的一種方法。在擴展換熱器傳熱面積的過程中，如果簡單的通過單一地擴大設備體積來增加傳熱面積或增加設備臺數來增強傳熱量，不光需要增加設備投資，設備占地面積大、同時，對傳熱效果的增強作用也不明顯，這種方法現在已經淘汰。現在使用最多的是通過合理地提高設備單位體積的傳熱面積來達到增強傳熱效果的目的，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，單臺設備的單位體積的傳熱面積會明顯提高，充分達到換熱設備高效、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換熱器傳熱效果最主要的手段，使用過程中我們應該考慮到實際工藝或設備條件上是否允許。例如，我們在提高輻射采暖板的蒸汽溫度過程中，不能超過輻射采暖允許的輻射強度，輻射采暖板蒸汽溫度的增加實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，我們應該認識到，傳熱溫差的增大將使整個熱力系統的不可逆性增加，降低了熱力系統的可用性。所以，不能一味追求傳熱溫差的增加，而應兼顧整個熱力系統的能量合理使用。1.3增強傳熱系數(K)
增強換熱器傳熱效果最積極的措施就是設法提高設備的傳熱系數(K)。
換熱器傳熱系數(K)的大小實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(K)值也就越低；換熱器傳熱系數(K)值越低，換熱器傳熱效果也就越差。
換熱器在使用過程中，其總熱阻是各項分熱阻的疊加，所以要改變傳熱系數就必須分析傳熱過程的每一項分熱阻。如何控制換熱器傳熱過程的每一項分熱阻是決定換熱器傳熱系數的關鍵。
上述三方面增強傳熱效果的方法在換熱器都或多或少的獲得了使用，但是由于擴展傳熱面積及加大傳熱溫差常常受到場地、設備、資金、效果的限制，不可能無限制的增強，所以，當前換熱器強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(K)值來提高換熱器強化傳熱的效果。我們現在使用最多的提高換熱器傳熱系數(K)值的技術就是：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，并且最終來達到提高換熱器傳熱系數(K)值的目的。2 .換熱器上擾流子強化傳熱的使用
換熱器在傳熱過程中，影響換熱器傳熱系數(K)的主要因素包括：換熱器內、外部液體的流動狀態，換熱面的形狀及尺寸等。為了提高換熱器的傳熱系數，強化換熱器的傳熱效率，國內外出現了多種強化元件及強化措施，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化管內換熱等。其中，在換熱管中加擾流子添加物進行強化傳熱在工業上已使用了多年，它可以使換熱器總的傳熱系數出現明顯的提高，可以大大節省換熱器的傳熱面積，降低設備重量，節約大量金屬材料，它的許多優點已日益引起人們的重視。
將對換熱器擾流子強化傳熱的原理及特點作以下詳細論述2.1擾流子強化元件的種類和共同特點
擾流子強化元件有多種形式，現在使用最多的包括:金屬絲制元件、金屬螺旋圈、盤狀構件、麻花鐵、翼形物等。這些擾流子強化元件有一個共同的特點就是：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(K)值，對換熱器的傳熱效果增強明顯。2.2擾流子強化傳熱的原理
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流動的液體產生明顯的螺旋運動。換句話說，在換熱器換熱管中加入擾流子添加物，就相當于在換熱器換熱管中加入空隙率ε≥95%的多孔體，當換熱器換熱管中流動的液體流經這些擾流子添加物以后，流道內將產生明顯的彌散流動效應，在低雷諾數下(Re≥300)，由于彌散流動的促進，使換熱器換熱管中的液體轉變為湍流。湍流狀態的流動液體其總熱阻是所有流態液體中最小的，由于換熱器換熱管中湍流狀態的流動液體熱阻非常小，所以，換熱器的傳熱系數(K)值將大大增加。在高的傳熱系數(K)值狀態下，換熱器中擾流子強化傳熱的效果就會非常明顯。
當然換熱器中的擾流子對流經換熱管的不同介質，其強化傳熱的效果是有區別的。并且，換熱管內擾流元件的形狀和在傳熱面上的安裝方法，對傳熱和流阻都有影響，一般可通過實驗確定其最佳形式。例如試驗表明：在管道的全長填滿螺旋形金屬絲與間斷設置螺旋圈相比，后者在傳熱性能不變時可減小流阻。
關于擾流子強化傳熱的原理，還有許多其它見解，有的專家認為擾流子強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生持續不斷的渦流，并沿流向產生一個中心旋轉流，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，強化了傳熱。總的看，有關擾流子強化傳熱的理論還不完備和一致，一些數據僅來自實驗，有待于更多的科研人員開發和利用。2.3擾流子強化傳熱的特點
在換熱器換熱管中加擾流子添加物，最明顯的特點就是大大增強了換熱管內側的換熱系數。試驗表明，在換熱器換熱管中加擾流子添加物，換熱管內側換熱系數可比光管提高3.5倍以上。
擾流子強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，一些設計追求高熱強度，而管殼式換熱器由于傳熱效率低，設計中采用的主要手段是選擇提高對數平均溫差，這要導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%采用擾流子強化傳熱的換熱器，在保證換熱強度不變的情況下，可以顯著降低傳熱溫差，從而降低了熱損更好地實現能級匹配，達到節能降耗的目的。
采用擾流子強化傳熱，另一優點就是可有效地抑制污垢的生成。結垢是換熱器非常棘手的問題。污垢使傳熱效率下降，它的導熱性能差，只有鋼的1/30～1/50。對碳鋼管油冷卻器，當水垢厚度達到2mm時，將比新制無垢時的運行效率下降30%。美國傳熱研究公司對換熱器的污垢問題進行了多年的研究，發現污垢的形成、生長，主要與介質溫度和流速有關，介質溫度越高，介質與壁面溫差越大，流速越低，越易形成污垢。為了消除管側污垢，國外一些廠家通過提高管內流速(V＝2～3m/s)，但這帶來過高的壓降，能耗很大。采用擾流子強化傳熱的換熱器，設備管側的污垢顯著減少。首先，由于流體的彌散流動，介質的溫度梯度較小，抑制了污垢的形成、生長；其次，由于彌散流紊動度很高(擾流子強化相當于靜態攪拌器)，流體中的雜質不易沉積成垢。
使用擾流子強化傳熱換熱器的清洗十分方便。短時期清洗時，可不抽出強化元件，用水速為V＞0.8m/s的清洗水沖刷管程即可。實驗表明。當水速達到0.8m/s時，水流將產生強烈的彌散渦流，對管壁有很強的沖刷效應。因此，可以比較干凈地除掉擾流子及管壁上的垢物。如果長時間運行后清洗，可抽出強化元件，分別清洗擾流子與管壁，這也很便于實施。