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换热器研究现状以及发展趋势点击：2025 日期：[ 2014-04-26 22:54:49 ] |
| 换热器研究现状以及发展趋势 任孝平 （东营市技师学院山东东营257097） 摘要：主要讨论管壳式换热器管程的强化传热——改变管子外形或在管内加入插入物，介绍螺旋槽管等多种强化传热管的研究进展，并对翅片管式换热器进行分析计算。 关键词：换热器；强化传热；效率 中图分类号：TQ051.5文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0420027－01换热器是广泛应用于汽车、航空、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工、食品、工程机械等行业的一种通用设备。其内部强化传热主要有两种途径：增大传热面积，但换热器的传热面积不可能无限制地增大，否则投资费用会大大增加，并且随着工业化的进展，设备要紧凑化；提高传热系数，主要从管程和壳程传热强化系数的提高方面上考虑。 1·常见强化传热管的研究现状 1.1螺旋槽管。螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凸的异形管，管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数，起到双边强化的作用。根据在光管表面加工螺旋槽的类型螺旋槽管有单头和多头之分，其主要结构参数有槽深e、槽距p和槽旋角β。美国、英国、日本从1970年至1980年间对螺旋槽管进行了大量的研究。华南理工大学、北京理工大学和重庆大学也对螺旋槽管进行试验研究，而且都取得显著的成效。此外，研究还表明单头螺旋槽管比多头螺旋槽管的性能好。目前，无论是从传热、流阻、结垢性能，还是从无相变对流换热和有相变凝结换热，对螺旋槽管的强化传热研究从理论到实际已达到较高水平。进一步结合计算机软硬件的发展，对螺旋槽管在不同场合传热的模拟和仿真，找出具有较大通用性的关联式以及优化螺旋槽管的结构尺寸将是今后研究的方向。 1.2横纹管。1974年前苏联首先提出横纹管，它是一种用普通圆管作毛胚，在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管内形成一圈突起的环肋。其强化机理为：当管内流体经横向环肋时，管壁附近形成轴向漩涡，增加了边界层的扰动，有利于热量通过边界层的传递。当涡流即将消失时，流体又流经下一个横肋，不断产生轴向涡流，因而保持连续且稳定的强化作用。横纹管主要用来强化管内单相流体的传热，华南理工大学经研究发现，在相同流速下，横纹管流阻比单头螺旋槽管的小。 1.3管内插入物。管内插入物的类型有很多，主要有：麻花铁、螺旋线圈、螺旋带、螺旋片、扭带和静态混合器等。各种插入物的强化传热机理一般可分为以下四种：1）形成旋转流；2）破坏边界层；3）中心流体与管壁流体产生置换作用；4）产生二次流。管内插入物的优点是对旧的换热器设备进行改造，以提高其换热性能。在强化传热的同时，能达到清除污垢的目的。 1.4内翅片管。内翅片管是采用特殊的焊接工艺和设备加工而成，流体在管内的换热过程为单相强制对流换热。其主要特点是通过在传热管管内扩大传热面积、强化管内传热的途径来提高换热器的传热性能。1971年美国首先提出内翅片管，并于二十世纪九十年代又开发出一种高效强化管内相变传热的内螺旋翅片管。日本、前苏联等国也进行大量的研究工作。八十年代初，日立电缆有限公司研究表明，采用左右错式的螺旋内翅片管强化单相流体的传热可使管内给热系数提高到光管的2.8左右。 2·翅片管式换热器 翅片管式换热器是人们在改进管式换热面的过程中最早也是最成功地发现之一。直至目前，这一方法仍是所有各种管式换热面强化传热方法中运用的最为广泛的一种。它不仅适用于单相流体的流动，而且对相变换热也有很大的价值。但20世纪60年代以前，普通的翅片管式换热器多采用表面结构未做任何处理的平翅片，这种形式的翅片除增大换热面积来达到强化传热的效果以外，再无其他强化传热作用。 通过调整换热器的翅片间距，设计成为变翅片间距，实现结构优化，并对其换热性能与改进前换热器进行对比计算，提高了换热器的传热系数。本方法适用于将该换热器用于低温制冷系统中的蒸发器。当气流通过蒸发器时，由于空气中的水蒸气不断地在翅片管表面沉积，空气由于除湿作用相对湿度降低，沿气流方向翅片盘管表面结霜量是递减的，如果采取变片距结构，可以在结霜条件下保持其较高的传热效率，并延长其冲霜时间。当蒸发器采用变翅片间距结构时，实际上已构成了翅片的错列分布，当空气横掠错列翅片时，翅片的交错分布使得上游翅片对下游翅片有绕流作用，由于前面翅片的绕流，翅片的前半部分换热加强，后面的翅片的分布又使得流道变窄，流速提高，翅片后半部分的换热也得到强化。图1为普通翅片。 通过变翅片间距（如图2）的结构改进，冷风机在外形尺寸即高度、宽度和管总长度不变的前提下，在结霜工况下运行时仍可保持较高的传热系数，且采用变翅片间距结构的冷风机比等翅片间距结构冷风机的传热系数提高了9.8％，且传热面积有所提高，通过提高传热系数和传热面积从而达到强化传热的目的。 加强管内流体流动，管内壁加工变螺距内螺纹。在不增大整体设备尺寸的前提下，增加其内表面换热面积，加强管内流体的扰动，在原有换热器的管内壁上加工变螺距内螺纹。当管内工质换热系数较大而管外工质换热系数较小时，管外的对流传热热阻将成为传热的主要阻力。采用扩展表面，对于缩小换热器体积，提高换热器效率有很重要的作用。目前，已经开发出了针状翅片、波纹翅片、百叶窗翅片、三角形翅片、单面开槽条形片、裂齿矩形翅片等等。 管内表面积的增大主要集中在异型管的开发方面，综观各种不同形状的强化管，其共同特点是在兼顾压降的同时，传热面积都有不同程度的增加，并通过两种机理提高其传热系数进行强化换热。传热边界层是限制传热系数提高的最主要因素，它产生于靠近管壁的层流底层，并有一个逐渐增厚的过程。管壁的粗糙以及规则出现的沟槽、凸肋，会破坏贴壁层流状态，抑制边界层的发展。同时沟槽和凸肋对流体的限流作用有助于边界层的减薄，而绕流作用使流体产生轴向旋涡，可致使边界层分离，流体主体径向温度梯度减小，有助于热量传递的进行。如图3，图4。 采用在已加工好的管壁内部加工变螺距内螺纹，不但可以扩大管子的内表面积，增加传热面积，并且由于管子不再是光管，内部有螺纹所以内壁变得粗糙，可以破坏层流边界层，使管内的制冷剂的流态变成紊流，从而提高管内对流换热系数。同时，因为采用变螺距，沿着流体流动方向螺距从大变小，这样可增强流体的扰动，强化流体的换热系数。参考文献：[1]施林德尔，换热器设计手册，第五卷：物理性质，机械工业出版社，1988.12.[2]钱颂文，换热器设计手册，化学工业出版社，2002.08.[3]杨世铭、陶文铨、传热学，高等教育出版社，1998.09.[4]陈增、李宝宏、李胜军，管壳式换热器的研究进展与方向，内蒙古石油化工，2005.8：85-87.[5]赵国辉、隋军，管壳式换热器技术进展，化学工业与工程技术，2000，21（4）：12-14.作者简介：任孝平，东营市技师学院，专业：机械设计制造及其自动化。 |
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