换热器的强化传热

　　0前言换热器是工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。如在化工厂用于换热设备的费用约占设备总费用的10%～20%;在炼油厂中换热设备约占全部工艺设备的35%～40%;其它如动力、原子能、冶金、食品、交通、家电等工业部门也有着广泛的应用。对一个传热过程而言,初投资与传热面积大小相关,因此,如何节约传热面积,研究换热器的强化传热技术十分重要。所谓强化传热技术就是当高温流体与低温流体在某一传热面两侧流动时,使单位时间内2种流体间交换的热量Q尽可能增大。由传热速率方程Q=KAmΔtm可知:增加传热面积Am、增大传热温差Δtm、提高总传热系数K均可以提高传热速率。

　　1增大传热温差Δtm增大传热的平均温差Δtm是强化传热的一种有效手段。由Δtm=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2)可知:要提高Δtm就要增加Δt1,减小Δt2。由于流体的进、出口温度主要由生产工艺条件决定,要增加Δt1减小Δt2,其主要措施是:对无相变的流体,使冷、热流体逆流或接近逆流。这样不但可以增大传热温差,还有助于减少结构中的温差应力。

　　2增加传热面积Am增加传热面积不应靠加大设备外部尺寸来实现,应从设备内部结构考虑,提高换热器的紧凑性。一般通过下述途径来增加单位体积设备的有效传热面积:(1)采用最合适的内外导流筒结构,最大限度地消除管壳式换热器挡板处的传热不活跃区。(2)热传递面采用扩展表面,尽可能增加它的有效传热面积,如在对流传热系数较少一侧的传热壁面上装翅片、筋片、销钉等。(3)改良热传递表面性能,将管子内、外表面扎制成各种不同的表面形状,增加管内、外表面传热面积,如螺纹管、横纹管、周向波纹管、表面多孔管。(4)采用螺旋式、板式等结构紧凑的新型换热器。

　　3提高总传热系数K(1/K)=A2/(α1×Ａ1)+Rs1×(A2/A1)+(b/λ)×(A2/Am)+Rs2+1/α2式中:A1———管内壁传热面积;A2———管外壁传热面积;α1———管内侧对流传热系数;α2———管外侧对流传热系数;RS1———管内侧污垢热阻;RS2———管外侧污垢热阻;λ———管壁材料的导热系数;b———管壁厚度。从上式中可知:要提高传热系数,就必须减少各项热阻。如尽可能减少管子壁厚b,管子选用导热系数λ大、抗腐蚀性的材料,增大对流传热系数α,减小污垢热阻Rs。

　　(1)选用高强度限和屈服限、抗腐蚀性能高、导热性能好的材料,如渗铝管换热器、镀锌管换热器。热管是一种新型传热元件,具有效率高、压降小、结构简单、紧凑性好等优点,发展较为迅速。

　　(2)增大对流传热系数α。通过有源强化(即利用外部能量的机械和流体振动,电场、磁场冲击的办法改善流动状态而强化传热)和非源强化(即改变传热元件本身的表面形状和表面处理方法获得粗糙表面的扩展表面,也有用内插物增加流体本身的扰流来强化传热)增强流体湍动程度,提高对流传热系数α。目前换热器的强化传热多数采用非源强化传热。常用方式有:①增加列管式换热器的管程程数和壳程中折流板数目,增大流速。②采用强化传热管(如螺旋槽纹管、横纹管、螺纹管),有利于减薄管子内部流体边界层厚度,使流体产生周期性扰动,并可以加快由壁面至流体主体的热量传递。③在列管内插入绕花丝多孔体,一方面增加管内流体流速,另一方面扰乱管内流体流向,增加湍动程度。④改变流体截面面积(如使用压偏圆管、缩扩管或在管内设置孔板等),增加流体湍动程度。⑤应用新型壳程折流支承结构(如双弓形折流板、三弓形折流板、螺旋形折流板、折流杆),强迫壳程流体流向不断改变,增加湍动程度。⑥妥善布置传热面,改进管子排列方式和管间距,尽量采用转角正三角形、转角正四边形排列。在工艺条件许可的情况下尽可能采用小直径换热管并且密排,改善流动特性,增强壳程流体湍动程度。⑦列管式换热管外套弹簧的螺旋圈结构及管外绕花丝多孔体结构能迫使流体作不规则径向、轴向运动。⑧将热传递面特制成粗糙表面(如表面多孔管、T形翅片管等)。

　　(3)减小污垢热阻Rs。换热器在运行一段时间后,单位时间内传热量Q就会下降很多,这往往是由于有污垢积存,导致传热速率降低。一般设计人员在计算传热系数K时,往往根据经验需要考虑垢层热阻。因此防止流体结垢和及时清除垢层,对节约换热面积、延长设备寿命、节省初投资成本具有重要意义。具体方法如下:①使用抗腐蚀、抗污垢性强的换热管,如聚四氟乙烯塑料管、有机涂层换热管。②防止结垢。在介质中加入阻垢剂类微量物质,可以保证设备在更长时间内高效运行,不但阻缓换热器结垢,而且减小垢下腐蚀,延长设备使用寿命。阻垢剂主要有:无机磷系药剂、LHE聚合羟基羧酸盐等。对换热管进行表面处理可以防止或减缓结垢。在严重结垢和壁温恒定条件下进行光管、内翅片管和螺旋槽管的抗垢性能比较研究表明:在相同操作条件下,内翅片管和螺旋槽纹管的传热系数仍比光管高10%～90%,其中螺旋槽纹管的热阻比光管低20%～50%。③定期清洗污垢。清除污垢的方法有:机械清洗(凭借外力将污垢和腐蚀产物清除)、化学清洗(通过化学清洗剂与腐蚀产物和污垢发生化学反应生成可溶性盐从而除掉污垢)。常用的机械清洗方法有:高压射流清洗、喷丸清洗、振动清洗、固体颗粒流态化清洗、钻、捅、刷等机械方法清洗除垢。常用的化学方法有:碱洗、酸洗、氨洗、专用溶剂清洗、燃烧除垢等。机械清洗一般与化学清洗联合使用,而化学清洗可单独使用,它具有清洗速度快、适用范围广的优点,但清洗费用高。另外,有些清洗剂在溶解垢层的同时,对设备基本材料也有腐蚀作用,需加入缓蚀剂。总之对于具体的换热设备要根据设备本身材质、介质性质、污垢种类等具体因素来确定使用何种方式。

　　随着能源的越来越紧缺,世界各国越来越重视强化换热技术的研究、开发和应用。可以预料,随着对强化传热的机理、设备结构的改进不断深入地进行研究,必将开发出更多、更加完善的高效换热设备。