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管式换热器对流给热的强化措施点击：1870 日期：[ 2014-04-26 22:21:53 ] |
| 管式换热器对流给热的强化措施 何灏彦 (湖南省化工职业技术学院化工系，湖南株洲412004) 摘要：介绍了管式换热器无相变时强化对流给热的措施。 关键词：对流给热；层流边界层；强化措施 中图分类号：TQ051．5 文献标识码：A 文章编号：1003—6490(2006)02—0047—03 管式换热器广泛应用于化工生产中。换热器换热效果的好坏直接影响到能耗的高低和工艺条件的实现。如何有效地提高无相变时对流给热的速率，强化传热的效果，本文拟作一探讨。 l 对流给热过程的分析 在管式换热器中，发生在热流体与器壁或器壁与冷流体间的热量传递，称为对流给热，简称给热。给热分无相变和有相变两种类型，由于有相变给热系数远大于无相变给热系数，且机理复杂，本文不作探讨。载热体沿着管道作无相变流动时，无论其流动状态如何，在靠近管壁面处总有一层层流边界层存在。在湍流主体内，由于流体质点湍动剧烈，发生对流传热，其热阻很小，传热速度极快。而在层流边界层内，流体仅沿壁面平行流动，在传热方向上没有质点位移，所以热量传递主要依靠传导进行，由于流体的导热系数很小，使层流边界层中的导热热阻很大。因此，减薄层流边界层的厚度是强化对流给热的重要途径。 2 层流边界层的分离 当处于稳定、直线流动的层流流体因流动方向或流道尺寸突然改变时，原来紧贴壁面前进的边界层会离开壁面，发生边界层分离，如图I所示： I)突起的壁面后缘：如粗糙表面、翅片管、挡板等 2)截面的突然扩大：如管出口 3)截面的突然缩小：如管进口 4)流道方向变化：如折流、蛇管等 边界层分离时，流体流动方向发生改变，同时形成旋涡，造成能量损失，故管式换热器中流体流动阻力与传热阻力是一对矛盾体，传热阻力的下降不可避免地造成流动阻力的增加，在实际生产中应兼顾两者，做到最优化。 3 减薄层流边界层厚度的措施 3．1 流态和流程的控制 层流边界层的厚度与管道内流体的流态和流程长度有很大关系。 R 数越大，湍流程度越高，层流边界层的厚度越小。RE数与管径、管内流速成正比。但管径越大，管子的比表面积越小，不利于传热速率；无相变时对流给热系数正比于流速，反比于管径，故应适当减小管径，提高流速。 流体从管入口至出口，层流边界层存在一个形成与发展的过程，流程越长，层流边界层越长；流程长度与阻力损失有关，流程太长，阻力损失增大，流速下降，层流边界层变厚。故设计时应尽量缩短流程，采用折流排列方式。管程压力降应控制在10．13～l01．3kPa。 流向上可采用错流或折流。一般认为，错流时较高的剪切速度有利于层流边界层的分离；折流时，方向的改变直接导致层流边界层的分离。 3．2 湍流促进法 在换热器内可设置各类障碍物来消除层流边界层。目前管式换热器仅在壳程加装挡板，而管程一般采用翅片管、纵槽管、波纹管等粗糙管，还可通过内置螺旋条、扭曲带、网栅等湍流促进器以促进湍流。湍流促进器一般可使管式换热器的传热系数增加，但流体的压力降随之增大，且换热器拆洗困难，采用时需具体分析，全面权衡。 3．3 填料法 在换热流体许可时(如冷却水)，可将纳米级粒子混于换热流体中，一起流过换热器，增大给热速度。其机理如下： a．固体粒子的导热系数远比流体大，固体粒子的加入改变了基础流体的结构，增强了混合物内部的能量传递过程，使得导热系数增加。 b．由于纳米粒子的小尺寸效应，纳米流体中悬浮的纳米粒子受布朗力等力的作用，做无规扩散，纳米粒子的微运动使得粒子与流体间有微对流现象存在，破坏了层流边界层。纳米粒子的材质可用铝、铜、石墨、玻璃、搪瓷等。在使用时应防止纳米粒子的沉积，避免污垢的形成。 3．4 流化床法 在管式换热器内，置人一些小颗粒( <0．7ram)的玻璃珠，在一定流体流速下形成流化状态。其湍流促进原理主要是靠小玻璃珠与管壁的不断碰撞从而减薄边界层厚度，使传热系数大为增加。 3．5 两相流法 为了强化换热管的界面传热效应，可加入气泡等分散相以形成两相流。其湍流促进原理与填料法类似，主要是靠气泡与管壁的不断碰撞从而减薄边界层厚度。此法简单，易于实现，但会导致压降增大，同时仅限于气泡允许与流体混合且分离容易的场所。 3．6 脉冲法 对换热流体施以脉冲时，流体流动的线速度、速度分布、温度分布均发生变化。脉冲流可显著提高管面剪切速度，促使管表面流体向主体流动。此法虽额外增加了脉冲动力，但传热速度明显增加，综合而言，切实可行。对一定流速而言，脉冲时振幅越大或频率越高，给热速度越大。 3．7 振动法 采用一种特殊的弹性管束，在机械诱导下管束产生振动，振动在强化管内外对流换热的同时，还可减少污垢热阻，强化传热的效果非常明显。但此法的投入远大于收益，故目前未得到工业应用。 4 结 语 影响给热速度的因素众多，强化措施也多种多样，但目前大多还处于实验室研究阶段，尚未大规模应用于工业生产。随着科学技术的飞速发展，更多更好的强化措施将会出现。 [参考文献] [1] 钱颂文，朱冬生，李庆领，等．管式换热器强化传热技术[M]．北 京：化学工业出版社，2003． [2] 姚玉英．化工原理[M]．北京：化学工业出版社，2000． [3] 王世平，钟理．国外强化传热技术的进展[J]．， 州化工，1991． (3)：35～46． [4] 程林．弹性管柬汽一水换热器强化传热试验研究[J]．工程热物 理学报．2001，22(2)：199～202． |
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