管壳式换热器的强化传热技术及展望

点击：2033 日期：[ 2014-04-26 21:14:10 ]

管壳式换热器的强化传热技术及展望刘雪梅1　崔永志1　陈军2 (1·恒天重工股份有限公司450013　2·河南工业技师学院450007) 摘要：介绍了管壳式换热器的强化传热技术,列举了相应的强化传热新结构及几种新型的管壳式换热器,阐述了换热器强化传热的发展方向,以期对今后的强化传热研究工作提供帮助。关键词：管壳式换热器　强化传热在纺织行业中:换热器在维尼纶凝固浴的蒸发、粘胶纺丝浴的蒸浓以及烘干设备中广泛应用。换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备。在2009年对国内外换热设备的市场调查中可知,管壳式换热器约占其64%。几十年来,虽做了不少的改进,但基本上保持原设计思想,尤其是壳程流动方式几乎没有太大的进展,仍沿袭传统的垂直弓形板横向流,使得换热设备的传热系数K值一直停滞在较低的状态。目前,各国为改善该换热器的传热性能进行了大量的研究,主要包括管程结构和壳程结构的强化传热[1]。在工业生产中,应用最广的是对流换热强化技术,强化传热技术通常分为有源强化和无源强化两大类。有源强化传热需要消耗外部能量,如采用电场、磁场、光照、搅拌、喷射等手段。无源强化传热则不需要消耗外部能量,是换热器强化传热主要采用的方法,如传热管的表面处理、传热管的形状变化、管内加入插入物,改变支撑等。 1·无源强化 1.1单相介质对流换热的强化无相变传热是在对流换热中不发生蒸汽凝结或液体沸腾的换热过程。在一般的换热器传热过程中占据主要地位。换热的传热量可用Q=KFΔT计算其中: K———传热系数/W/(m2·K); F———传热面积/m2; ΔT———冷热流体的平均温差/K。可见增加传热量的方法是增加冷热流体的平均温差ΔT、扩大换热面积F、提高传热系数K。在工业生产中,主要应用的是传热管的形状变化,来增大换热器的传热面积,主要的异形管有:螺旋槽管、旋流管、波纹管、缩放管、横纹管、螺旋椭圆扁管、变截面管、内肋管等。这种传热管的特点:结构简单,加工方便,传热面积增加,传热效果增强,换热器的结构紧凑,减小投资,节约成本。下面从使用广泛的管壳式换热器方面叙述强化传热的一些手段。 1.1.1　管程强化的方法翅化面、异形表面、扰流装置法、采用较小的管径、复合强化传热技术,这些方法不仅增大了传热面积,而且还相应地改善了流体的流动性能。 1.1.2　壳程强化强化换热器壳程传热的方法包括改变传热管外表面结构和管间支撑结构。传热管外表面的改变主要是在其外表面上加工出沟槽和翅片,比较先进的管壳式换热器的壳程结构为:螺旋折流板式、折流杆式、空心环式、扭曲管和混合管束、管子自支撑、整圆形折流板。 1.2　相变强化换热[2-3] 有相变传热是指在对流换热中发生蒸汽凝结或液体沸腾的换热过程,有相变传热常用的异形管有锯齿形翅片管、花瓣形翅片管、T形管和表面多孔管(麻坑管)等。其中将传热表面用烧结、机械加工或其他方法处理成的多孔物质结构(如图1所示)。其传热面表面存在微小间隙,实现了增大传热面积的目的。表面烧结法制成的多孔层厚度一般为0.25~1 mm空隙率为50%~65%。由于滴状冷凝比膜状冷凝传热系数高,所以这种多孔表面在增大传热面积的基础上,可以更好地改善换热状况。当表面液体进入多孔间隙时,间隙中容易产生汽化核心,紧贴这些间隙的液体汽化后,形成汽泡并逐渐长大,然后脱离表面,接着又有新的汽泡形成。在汽泡形成与脱离表面时造成液体对壁面的强烈冲击和扰动气泡随着间隙排除,所以在有相变的传热过程中,这种结构对提高效率特别有效。 1.3　流动介质强化换热[4-5] 提高液体的导热系数的一种有效方式是在液体中添加金属、非金属或聚合物固体粒子。由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级,因此,悬浮有固体粒子的液体的导热系数要比纯液体大得很多。但是毫米或微米级的固体粒子悬浮于液体中在实际应用时容易引起磨损、堵塞等不良结果,限制了其在工业实际中的应用。随着纳米材料科学的迅速发展,自上世纪九十年代以来,研究人员开始将纳米材料技术应用于强化传热领域,研究探索新一代高效传热冷却技术。在液体工质中添加纳米粒子,形成纳米流体,可显著提高液体工质的传热性能。将纳米材料以一定方式和比例加入到液体中,它表现出以下特殊的效果: 1.3.1　在液体中添加纳米粒子,因固体的导热系数大于液体的导热系数和纳米颗粒具有较大的比表面两重特性,使得纳米流体的导热能力和热容量大幅度提高,从而可减少循环泵的能量消耗,降低运行成本,提高其经济实用性。 1.3.2　与纯液体相比,纳米流体中的纳米颗粒在流体内部无规则运动,破坏了流体流动的层流底层,加强了扰动,增强了流动湍流强度,减小了传热热阻,强化了对流传热。 1.3.3　纳米流体的小尺度效应,使得流动接近于液体分子,在流体中纳米粒子强烈的布朗运动能抵御重力引起的聚沉,可以保持长时间稳定。 1.3.4　纳米粒径较小,使其可以充当润滑介质,起到润滑流道的作用,同时减轻管道和设备的磨损。 2·有源强化有源强化主要是指靠电场或磁场作用,使传热得到强化与控制。强化传热的有源强化方法。在此不再赘述。 3·几种新型管壳式换热器 3.1　夹套式变截面导流筒折流杆换热器管壳式换热器导流筒结构是为了防止流体诱导振动,通过提高传热效率、改进壳程结构而开发出的一种新型结构。设置导流筒不仅可以防止入口处高速流体对管束的直接冲击,而且有利于壳程流体分布均匀,使壳程进口段管束的传热面得到充分利用,减少传热死区及防止进口段可能出现的流体振动。夹套式变截面导流筒折流杆换热器由杆圈(杆栅、圈)支撑、变截面导流筒与夹套三个元件组合而成。在很大程度上,夹套式变截面导流筒装置是对传统的导流筒结构的简化。该装置采用变截面结构,使得导流筒成斜口形状,保证流体沿周向均匀进入壳体,如图2所示。这种结构基本可以克服等直导流筒装置存在的介质进入壳程时流体阻力不同的缺点,使流体能够比较均匀的进入壳程。工业实际应用证明:与传统折流板换热器相比,该新型纵流壳程换热器的综合指标α/Δp提高了50%左右,设备重量减轻了20%~40%。同时传热效率大幅度提升。目前,该新型纵流壳程换热器已广泛应用于各种生产实践中,同时取得了显著的经济效益和社会效益。 3.2　夹持式异径换热管纵流壳程换热器为了改进折流杆换热器的不足,我们从提高壳侧传热系数和增加换热面积入手,研制开发了新型异径布管夹持结构换热器。如图3所示,该换热器主要由管板、折流栅和换热管构成,折流栅由折流圈和连接在折流圈上间隔排列的多组扁钢带构成,扁钢带之间设有不同管径的换热管,换热管的末端连接在管板上,管板上相应开有不同孔径的管孔。为了对换热管起到支撑作用,上述扁钢带为波纹状扁钢带,两扁钢带之间波峰和波峰相对,波谷和波谷相对。两块间隔一定距离的折流栅形成一组夹持式支承组件。夹持式异径换热管纵流壳程换热器性能特点: 3.2.1　换热器采用异径交错布管,结构紧凑,单位面积上布管数目增加,壳程空隙率降低,壳程对流体流速的调节作用增强。 3.2.2　波纹状扁钢带比折流杆有更强烈的扰流作用,从而提高了传热效率。 3.2.3　壳程流道中流体的流通面积减小,较低流量时可提高流速,有利于在较低处理量工况下纵流壳程换热器传热性能的提高。 3.2.4　流量变化时,不同直径的管内传热系数的变化是不同的,尤其是在流量突降,管内的流量不足时,小直径管内流体与管壁的接触面积变化较小,从而可以保持传热系数的相对稳定。 3.3　新型高低温管板废热锅炉是石油化工、化肥、轻工、原子能等工业部门中广泛使用的换热设备,而管板是其中最重要的一个零部件,尤其在高压下,管板决定了整台设备的生产。随着这些行业的快速发展,废热锅炉面临着高温高压的挑衅。废热锅炉向大型化、高参数化发展不可避免。其工作条件也将愈加苛刻。同时,由于管板失效而引起的重大事故也时有发生。所以,为了改善普通整圆平板式管板结构和强度方面的不足,提出了一种新型组合式管板—Ω形管板,如图4所示,该管板不再是一块整圆多孔平板,而是分成了高温整圆形管板和低温环形管板两部分,二者之间通过圆筒形过渡段连接,形如Ω状。这种结构不仅可以改善管板的受力状态,而且可以对高温、低温管板选用不同的材料,大大降低成本。由于管板上开有众多的不连续通孔,其应力分布、强度问题十分复杂。为了弄清管板的受力状态,给废热锅炉管板的强度设计提供参考资料,在没有相应规范的情况下,对此新型废热锅炉的管板建立了试验模型,并进行了应力测定。实验结果表明,高、低温管板的环向和径向应力随着半径的增大而减小;高温管板的最大应力为中心处的径向应力,低温管板的最大应力在环板内侧靠近孔的地方。 3.4　斜向流管壳式换热器为改进弓形折流板换热器和折流杆换热器在结构和性能方面的缺陷,提出了换热器壳程流体“斜向流”的概念。壳程流体斜向流动的效果有: 3.4.1　将横向流换热器壳程主流区的横向流动分散为多股受迫倾斜流动,消除了部分流动死区。 3.4.2　管束支撑结构的导流作用,避免了流体因受横向阻挡产生的速度剧烈变化和动能损失,同时还有效利用了横向流对换热管更为强烈的冲刷作用引起强化传热效果。 3.4.3　继承了纵向流换热器抗振性能好、除垢效果强、综合性能优等特点。斜向流管壳式换热器[6]其核心构件为帘式折流栅,折流栅由若干片特定形状的折流片倾斜一定角度后,两端固定至折流圈上组合而成。各折流栅的装配方向有平行、正交、对称等多种组合方式,采用纵栅和横栅交错的正交分布方式。通过相邻折流栅上的折流片可实现换热管在横向和纵向位置上的完全支撑和定位。这样可以达到提高传热效率和减小流动阻力的双重目的。该类型的换热器在我国化工等行业中将有着广阔的应用前景。 3.5　组合式多壳程螺旋折流板管壳式换热器为了避免弓形折流板换热器的不足,有学者提出了螺旋折流板管壳式换热器的思想。连续螺旋折流板换热器虽然克服了弓形折流板换热器的不足。但是连续螺旋折流板加工困难,并且由于其本身存在中心管,导致换热器的有效换热体积和换热器的紧凑度减少。为了充分发挥连续螺旋折流板换热器流动换热的优势而避免上述困难,提出一种组合式多壳程螺旋折流板管壳式换热器。组合式多壳程螺旋折流板管壳式换热器简化了加工工艺,降低了压力损失,提高了换热器的紧凑性和换热器的自防垢能力,降低了污垢清洗费用,延长了使用寿命,从而保证生产更加顺利地进行。 4·总结与展望随着现代工业技术的不断发展,新工艺、新技术的广泛应用,其必然会带来更多高性能、高参数的换热设备。以下列举了一些新材料、新技术在换热设备中的应用,以及新技术的研究方向: 4.1　非金属材料的应用非金属材料在一定的范围内具有金属材料不可比拟的优点。石墨材料具有优良的导电、导热性能,较高的化学稳定性和良好的机加工性,例如:石墨管换热器在粘胶纺丝浴的蒸浓系统中被广泛应用,石墨块孔式换热器也越来越受到用户的欢迎。氟塑料具有特别优良的耐腐蚀性,与金属材料相比还具有成本上的优势。复合材料如搪瓷玻璃具有优良的耐腐蚀性能、良好的耐磨性、电绝缘性以及表面光滑不易粘附物料等优点,已经用于制作换热产品。陶瓷材料因其优异的耐腐蚀性、耐高温性能而引起工业界的高度重视,已经在换热产品的制造中得到应用。 4.2　优质热交换器优质热交换器是最近几年提出的以新材料为基础的热交换器。以金属材料钽为例,钽本身具有良好的物理和化学特性,它抗腐蚀,耐高温高压,延展性好,利于加工制造,除去温度较高的氟,氢氟酸和加热的高浓度碱性溶液,钽对其他物质都表现出良好的惰性。钽是一种高韧性材料,且其熔点可接近3000℃,采用钽制作的热交换器的管子可以薄到0.14 mm,这样就可以提高设备的经济性能。 4.3　计算流体力学和模型化设计的应用在换热器的热流分析中,引入计算机技术,对换热器中介质的复杂流动过程进行定量的模拟仿真。目前基于计算机技术的热流分析已经用于自然对流、剥离流、振动流和湍流热传导等的直接模拟仿真,以及对辐射传热、多相流和稠液流的机理仿真模拟等方面。在此基础上,在换热器的模型设计和设计开发中,利用CFD的分析结果和相对应的模型实验数据,使用计算机对换热器进行更为精确和细致的设计。 4.4　加强实验和理论研究采用先进的测量仪器来精确测量换热器的流场分布和温度场分布,并结合分析计算,进一步摸清不同结构的强化传热机理。采用数值模拟方法对换热器内流体流动和传热过程进行研究,可以预测各种结构对流场及传热过程的影响。 4.5　组合强化传热方式将有源强化传热方式与无源强化等方式进行结合,强化结构组合研究,为达到管程壳程同时强化的目的,强化结构组合研究将成为近期传热强化技术研究的发展方向。以上强化传热技术的应用使得换热器强化效能得到很大提高,强化传热技术不但能节约大量的能源,而且能大大减少设备的重量和体积。但存在一个普遍的问题就是传热强化的同时,流动阻力增加的更多,相当程度上限制了工程应用的范围。作为一种传统的标准换热设备,管壳式换热器换热性能的提高,基本的出发点是提高管侧和壳侧的换热性能,即管程的支撑结构进行改进,壳程结构进行创新,来得到各种新型高效换热器。同时其结构要不断地简单化,成本低廉化,以期达到更好的经济效益,以便更好地投入工业使用。参考文献 [1]冯国红,曹艳芝,郝红.管壳式换热器的研究进展[J].化工技术与开发,2009,38(06):41-45. 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