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换热器强化传热技术的研究进展情况

点击:1932 日期:[ 2014-04-26 22:06:27 ]
                             换热器强化传热技术的研究进展情况                                    李安军 邢桂菊 周丽雯                              (辽宁科技大学材料科学与工程学院)     摘要:介绍了被动式强化传热技术的研究进展,简述了典型和新型传热元件的开发和应用,针对换热器传热管表面处理技术,管的内插件和管束支撑结构的发展状况展开分析和论述;探讨了强化传热技术的发展方向,数值模拟和场协同原理技术的应用使换热器结构趋于最优化,强化传热技术由单一型向复合型方向发展,逐渐形成第三代传热技术。     关键词:强化传热 传热元件 管束支撑 换热器 节能技术     随着现代工业的迅速发展,以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧,节能是非常重要的,也是当务之急,世界各国都在寻找新能源和节能新途径。换热器作为换热设备,广泛应用于冶金、化工等各个工业领域中,强化传热技术的应用不但节能环保,而且节约了投资和运营成本,所以,换热器的强化传热技术一直以来都是一个重要课题,受到研究人员的重视,各种研究成果不断涌现。     20世纪80年代以来,强化传热技术被誉为第二代传热技术〔1〕,并得到充分的发展。它是能够显著改善传热性能的节能技术,其主要内容是强化传热元件和改变壳程的支撑结构,用以提高换热效率,达到生产的最优化。     强化传热技术通常分为主动式和被动式两大类。主动式强化传热需要消耗外部能量,如采用电场、磁场、光照射、搅拌、喷射等手段。被动式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,改变支撑物等〔2〕。这里主要介绍被动式传热。     1 传热管的表面处理     1.1 无相变传热     无相变传热是指在对流换热中不发生蒸汽凝结或液体沸腾的换热过程。工业生产中,主要应用的异形管有: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〔3〕。这种传热管的特点是,结构简单,加工方便,传热面积增加,传热效果大大增强,换热器的结构更加紧凑,减小投资,节约成本。     (1)螺旋槽管     螺旋槽纹管是表面具有螺旋形凹槽的一种强化传热管,传热管内外表面的凸起或槽纹,干扰了管内流体的流动,破坏了层流边界层,流动状态达到充分的湍流,产生的漩涡又不断地扰动边界层的流体,促进了传热管同流体间的热交换;湍流度的增加也有助于避免污垢在传热管壁面的沉积,提高传热系数,增强了管内外流体的换热。螺旋升角对换热的影响很大,大螺旋升角更有利于换热〔4〕。研究表明,螺旋槽管换热器比光管的传热系数提高了2~4倍,在阻力损失和换热面积相同时,换热量可增加30%~40%〔3〕。     旋流管是螺旋槽纹管的衍生品,也叫异型螺旋槽管。其槽纹是半流线的勺形或W形,流体在其内流动呈波状特性,它的传热机理与螺旋槽管大体相同。这种传热管的传热面积和传热系数大大增加,传热系数比光管提高3 5倍,并且,在相同传热量下旋流管的换热系数比螺旋槽管高3%~8%,而压力损失低5%~10%〔5〕。     (2)波纹管     波纹管是表面有波纹状突起的强化传热管,由于波纹管的壁很薄,传热管可以自由伸缩。流体在管内流动时,截面不断的变化,扰动流体,破坏层流边界层,以强化传热。波纹管的传热效率通常是光管的2~4倍,同时还具有除垢能力强,温差应力小,结构紧凑轻巧等特点〔6〕。     波纹管的壁薄,有波纹突起,可以有效地消除纵向应力,但是波纹管的强度问题没有很好的解决,应用范围受到限制。     (3)横纹管     横纹管由光管的外表面被滚压成一圈圈有序的环形凹槽而成,与管子轴线成90°角。影响横纹槽管综合传热性能的主要结构参数为肋节距和肋形,而肋高影响较小,并且传热综合因子随流动Re数增大而迅速降低。横纹抗垢能力要优于光管,渐近污垢热阻值约为光管的0 83,污垢状态下横纹管的强化比约为1 4,说明横纹管其性能比光管要好〔7〕,也比螺纹管好,在同样传热效果下,阻力增加比螺旋槽管少。    (4)螺旋椭圆扁管     螺旋椭圆扁管是把圆形光管压成椭圆形,然后扭曲而成,流体在管内处于螺旋流动状态,因而破坏了管壁附近的层流边界层,提高了传热效率。这种管束结构的特点是:两个并行排列的相邻管子的椭圆长轴相互接触,互相支撑,应用这种管的换热器取消了附加的管束支撑物,节约了材料和成本。     研究表明,螺旋椭圆扁管换热器具有较好的强化传热性能,管径大小和螺旋导程对传热和阻力性能均有影响。从综合性能来看,大管径优于小管径;对于相同规格的管子,导程增大,传热性能降低,流动阻力减小〔8〕。这种结构的换热器与光管换热器相比,热流密度高50%,容积小30%。     1.2 有相变传热     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〔3〕。     (1)冷凝传热的锯齿形翅片管和花瓣形翅片管锯齿形翅片管是一种新型传热管,其翅片外缘有锯齿缺口,加强了流体的扰动,促进对流换热,换热面积增大,增强了换热量,锯齿管的传热系数是光管的6倍,是低肋管的1 5~2倍。花瓣形翅片管是一种特殊的三维翅片结构强化传热管,从截面上看,各翅片像花瓣状而得此名。花瓣形翅片管既能显著地强化低表面张力介质及其混合物和含不凝性气体的水蒸气的冷凝传热,又能显著地强化空气和高粘性流体的冷却传热,有研究表明:自然对流条件下,其传热系数比锯齿形翅片管提高了8%~10%,在强制对流下,是光管的5~6倍。     (2)强化沸腾传热的T形管和表面多孔管     T形翅片管是由德国的Wieland公司于1978年开发的,管子的外表面具有多条螺旋的T形翅片,以增加汽化核心,并显著的增大了传热面积,具有优良的传热性能。表面多孔管同T形管的传热原理相同,它是北京化工设计院在1978年通过烧结法试制的,实验用丙酮作工质,测定了在以烧结法制成的表面多孔管上沸腾时的给热系数,约为光滑管的7~8倍。尽管这种表面结构具有很好的换热特性,但是,这种管的加工工艺十分复杂,在实际工程应用中并不普遍。     1.3 新型传热元件     (1)斜针翅管〔9〕     斜针翅管是中国石化建筑公司与华南理工大学联合研制的一种新型高效换热器。这种传热管的优点是扩大了二次传热面积,保持较小的管距,利用流体的不断扰动,破坏流体的层流边界层,增加了紊流度,使得传热效率提高,达到强化传热的效果。它主要应用于壳程为油介质的换热器中。     流体流经换热管壁面时总存在一层滞留内层,该层传热仅为热传导,导热热阻很大,流体的流速和温度分布都属于抛物线形,只有使滞留层消除或变薄才能够减小热阻,加强传热。斜针翅管强化传热的机理是在扩大二次传热面的同时,利用流体的扰动,提高湍流度,破坏了边界层,也阻止了污垢的积累,强化了传热。     研究表明,壳程的流体纵向流动,有效的避免了流体诱导振动的发生,防止管子的振动破坏,具有折流杆换热器的特点;这种传热元件的换热面积能够有效地被利用,不存在换热死区〔6〕,并且增加了换热面积,同等条件下,换热面积可提高10%以上。     新型钉翅管〔10,11〕的结构是在光管的外表面交错的排列一个个钉翅。通过理论和实验研究表明,这种新型钉翅管的传热效果明显增强,传热效率大大提高,与光管相比它所消耗的比功并不大,但其传热系数是普通光管100倍左右,是翅片管的10倍左右,是百叶窗翅管的5倍左右,努塞尔数Nu是光管的65~105倍。可见,这种传热元件与其它翅片管相比传热效果是最好的,其开发和应用潜力巨大。     (2)新型钉翅管     2 传热管内插件     管内插入物可以扰动管内的流体,增强湍流度,有效地清除污垢,提高传热系数;形成旋转流和二次流;插入件在管内扰动流体,破坏了层流边界层,加快了流体同传热管的换热。常用的内插件有:扭带、间隔扭带、错开扭带、螺旋片、螺旋线、静态混合器等〔1〕。不同内插件增强传热的效果也不同,WangL等〔12〕通过实验研究比较螺旋线圈和扭带的综合强化性能表明,管内插物扭带扰动管内整个流场的流动,而螺旋线圈主要干扰管壁附近的流体,所以当螺旋角和直径比相同时,螺旋线圈的性能要好于扭带。     近几年,又出现了弹性圆珠内插件〔13〕。流体流过弹性珠时易在其后面形成卡门涡街,增加了流体与壁面的剪切力,同时,弹性珠不断的敲击管壁,导致刚刚形成长大的污垢层脱落,提高了传热效率,污垢热阻大大降低,有时甚至出现负热阻,传热性能明显优于光管。     3 管束支撑     管束支撑是管壳式换热器的重要原件,主要起到支撑管束,减小管束振动和引导壳程流体流向的作用,一种好的管束支撑,能够强化壳程热交热,因此开发新型的管束支撑是非常重要的。工程中应用的管束支撑主要有:弓形折流板、折流栅、螺旋隔板、空心圆环和螺旋折流片等。     3.1 弓形折流板     弓形折流板〔14〕包括单弓形折流板和双弓形折流板。双弓形折流板由双弓形隔板和中心隔板组成。两种隔板沿管束方向交替排列,引导流体波浪式前进。双弓形隔板换热器与间距和缺口相同的单弓型隔板换热器相比,虽然其压降为后者的0 3~0 5,传热系数为后者的0 6~0 8,但总体的传热性能是提高的。     3.2 折流杆支撑结构     折流杆纵流式换热器是1970年美国菲利浦石油公司首先提出的,是为了解决传统折流板换热器中管子与折流板的切割破坏和流体诱导振动,这种结构是将管壳式换热器中的折流板改成杆式支承。折流杆式换热器压降很低,低于弓形隔板的1/4,传热特性比也高,传热强化达1.3~2.4倍〔14〕。在相同设计条件下,双壳程折流杆换热器的壳程流速提高了1倍,壳程的给热系数可提高52%~74%〔1〕。另外,折流杆与换热器的接触面积很小,传热面积得到充分利用,消除壳程滞留区,改变了壳程流场的温度分布。     3.3 螺旋隔板支撑     LutchaJ和NemcanskyJ〔15〕于1983年提出壳程流体作螺旋运动可以有效地清除污垢死角、强化换热器壳程传热,其壳侧支撑结构是用一系列的扇形面,相间连接,从而在壳侧形成近似的螺旋面,亦称螺旋折流板换热器。这种换热器折流板形成一种特殊的螺旋形结构,与常规折流板的布置方式不同,它使得壳程的流体做螺旋运动。通过已知实验研究可以看出这种换热器的优良性能〔16〕,对于以压缩空气为工质,在相同的Re下,光滑管螺旋隔板换热器的管外膜传热系数是光滑管弓形隔板换热器的1 25~1 8倍,压降随着螺旋角的不同大约可降低26%~60%。     3.4 空心圆环     空心圆环支撑结构是采用小直径金属短管以一定间隔布置在换热管束之间,起到支撑传热管和导流作用。这种结构的特点是:壳程间隙率大,流阻小,流速变化小,流体在空心环处可以充分形成湍流,增强传热;节约钢材,减轻设备重量,钢材的消耗量大大减少,所以,与传统换热器相比,空心圆环换热器在投资费用方面有很大的竞争力,可节省25%〔17〕。     3.5 螺旋折流片     螺旋片传热管是在光管上均匀布置螺旋片,有左旋片管和右旋片管之分。换热器的换热管布置情况是螺旋片管与光管交错排列,左右两根管是螺旋片管,螺旋方向分别是左旋和右旋,上下两根管是光管,放置在螺旋片上,不需要附加管束支撑〔18〕。     螺旋片能诱导生成涡旋流体,形成二次流,增强流体的湍流度,强化流体微团混合,使壁面附近的流速梯度增大,从而减薄粘性边界层底层的厚度,有效地提高传热系数。同时螺旋片形成的通道还增加了流体的流动路径,提高了流动速度。数值模拟结果表明,螺旋片管的传热系数随着螺旋角的增大而平缓增加,流动阻力损失加大,传热性能明显优于光管,传热系数可提高40%~100%〔19〕。     4 换热器强化传热技术的发展方向     4.1 管程     强化传热技术正在蓬勃的发展,异形强化传热管的研究和探索已经进入高层次发展阶段。传统的异形管加工难度大、成本高,加工设备也比较复杂。改进各种高效换热管的制造技术,或开发结构简单的新型高效换热管,实现高效换热管结构和制造技术的简单化,降低成本,提高设备的使用寿命,是推广和应用各种高效换热管的前提条件,也是换热器的重要发展方向〔3〕。     对螺旋管等槽纹管的研究也有待进一步深化,这种传热管可以适用于除水和空气以外更多的介质中,在其它工质中的工况如何还有待研究,另外,强化管的槽深、节距、螺旋角等特性的最优化,会使强化管具有较好的传热与流体动力学特性。     表面多孔管用于相变换热能够有效的提高传热系数,增加换热量但是由于加工工艺的复杂性,至今没能够被推广,随着加工技术的提高,如果能够简化加工过程,减少加工成本,相变传热应用这种传热管是一种理想的选择。     4.2 壳程     纵向流换热器的优良特性,已经引起更多的学者和工程技术人员的普遍关注。如果纵向流换热器与不同型式的强化管组合使用,能够同时实现壳侧与管侧的传热强化。这种为实现不同强化传热技术的优化组合仍需要进一步的研究。纵流式管束支撑物对壳程流体流速的调节作用较小,只有在大流量下才能显示出其优越性。因而,在小流量或低雷诺数下如何提高纵流式换热器的性能,是今后研究的一个重要方向〔20〕。     随着计算流体力学(CFD)和数值传热学的发展,各种数值模拟技术不断地被应用到强化传热技术中来,对各种支撑结构的性能和壳程流场的特性的研究可以通过计算机模拟来完成,这种方法简单、快捷,具有广阔的应用前景,这也促使了更优化的传热组合的研究。     4.3 纳米传热介质     以前对传热介质的研究主要是针对它的流动特性,对增强介质换热系数的研究很少。增强介质的换热系数是近些年新开辟的领域,并迅速受到重视,成为热点课题。研究表明纳米流体具有很好的传热功能,EastmanJA等人〔21〕对纳米流体导热系数的实验研究显示,以不到5%的体积比在水中添加氧化铜纳米粒子形成的纳米流体导热系数比水提高60%以上;Lee等人〔22〕用纳米流体和微型热交换器构成了冷却强度可达30MW/m2的高效冷却系统。影响纳米流体导热系数的主要因素有四种〔23〕:(1)非限域传递的影响;(2)布朗运动的影响;(3)液膜层的影响;(4)颗粒聚集的影响。     换热器中如果利用纳米介质换热,传热效率将大大提高,与之相匹配的各种换热器将相继开发出来,并可以节约能源,降低成本。     此外,换热器的场协同原理也是今后强化传热技术发展的重要方向,并在此基础上开发第三代传热技术。     参考文献     1 林宗虎,汪军,李瑞阳等 强化传热技术 北京:化学工业出版社,2007,1     2 钟理,谭盈科 国外强化传热技术的研究与进展 化工进展,1993,4:1~5     3 崔海亭,彭培英 强化传热型新技术及其应用 北京:化学工业出版社,2006,1     4 余珉,郭莹,杨茉等 螺旋升角对凝结换热特性影响的研究 工程热物理学报,2007,28(3):549~501
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