换热器的强化传热
(完整)管壳式换热器强化传热技术概述
管壳式换热器强化传热技术概述马越中国矿业大学化工学院,江苏徐州，221116摘要:总结了近年来国内外新型管壳式换热器的研究进展，从管程、壳程、管束三方面介绍了管壳式换热器的发展历程、结构改进及强化传热机理,并与普通弓形折流板换热器进行对比，概括了各式换热器的强化传热特点。
最后指出了换热器的研究方向。
关键词:管壳式换热器；强化传热;研究方向Overview of the Shell and Tube Heat Exchangers about Heat TransferEnhancement TechnologyMA YueCUMT,Xuzhou，jiangsu，221116Abstract:Abstract : The research progress of shell and tube heat exchanger were summarized. The development structural improvement and heat transfer enhancement of the heat exchangers were introduced through three aspects e. g. tube pass shell pass and the whole tub bundle etc. Compared with the traditional segmental bame heat exchanger various types of heat exchangers'characteristics about heat transfer enhancement were epitomized。
At last，the studying directions of heat exchangers were pointed out.Key words：shell and tube heat exchanger;heat transfer enhancement；studying direction1引言《“十二五”节能减排综合性工作方案》明确提出,到2015年,全国万元国内生产总值能耗下降到0。
强化传热技术及高效节能设备(华谊交流)
一、换热设备的强化传热技术
2
1 换热器的强化传热技术
近20年来，石油、化工等过程工业得到了迅猛发展。 各工业部门都在大力发展大容量、高性能设备，因此要求 提供尺寸小、重量轻、换热能力大的换热设备。 特别是始于20世纪60年代的世界能源危机，加速了当 代先进换热技术和节能技术的发展。强化传热已发展成为 第二代传热技术，并已成为现代热科学中一个十分引人注 目的、蓬勃发展的研究领域。 主要介绍工业化应用的、相对比较成熟的管壳式换热 器无功强化传热技术。
×100
表面多孔管结构图
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表面多孔管
强化传热机制
性能曲线对比
19
3.1 强化传热管元件
9） T形翅片管 T型翅片管是由光管经过滚轧加工成型的一种高效换热 管。其结构特点是在管外表面形成一系列螺旋环状T型隧道 。管外介质受热时在隧道中形成一系列的气泡核，由于在 隧道腔内处于四周受热状态，气泡核迅速膨大充满内腔， 持续受热使气泡内压力快速增大，促使气泡从管表面细缝 中急速喷出。气泡喷出时带有较大的冲刷力量，并产生一 定的局部负压，使周围较低温度液体涌入T型隧道，形成持 续不断的沸腾。
8
3 管壳式换热器的强化传热技术
管壳式换热器的传热强化研究包括管程和壳程两侧的传 热强化研究。通过强化传热管元件与优化壳程结构实现。 3.1 强化传热管元件 改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各 种形状的插入物。改变传热面的形状有多种，其中用于强化 管程传热的有：螺旋槽纹管、横纹管、螺纹管、缩放管、旋 流管和螺旋扁管等。 另外，也可采用扰流元件，在管内装入麻花铁，螺旋圈 或金属丝片等填加物，亦可增强湍动，且有破坏层流底层的 作用。
菱形翅片管结构图
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3.1 强化传热管元件
传热的强化途径简述
传热的强化途径简述换热器广泛运用在化工，制药，冶金，能源，石油，动力等工业领域在生产中占有重要的地位，在一般的化工工业建设中，换热器建设投资金额往往可以占到总工业建设投资的10%~20%，目前在化工领域我国的能源利用率与发达国家仍有较大的差距，这与目前我国发展的绿色化工方向有所不符，因此如何强化传热便成为化工生产实践中必须要骄傲考虑的大问题。
以下我将从换热器原理出发，分析影响换热器换热效率的较大因素，并通过查询文献对这些问题给出较为可行的意见，同时对未来可能发展做出展望。
一、影响换热的主要因素目前化工生产中的换热器多为间壁式换热器，通常而言，间壁式换热器冷、热流体的传热进程主要含有三个阶段，一，基于对流方式使热量向管壁进行传递；二，通过热传导方式，让热量从管壁一侧向另一侧完成传递；三，传递到另一侧位置的热量又通过对流方式向冷流体实现传递。
间壁换热器换热的三个步骤里，热传导存在于管壁内部其热阻相对较小，进而不会对传热造成较大影响。
总结可得，在换热器的传热过程中对与换热影响较大的为对流传热。
影响对流传热速率因素包括多个方面，一，流体本身性质，由于流体的粘度，导热系数，热容，密度等都不相同，故不同流体流经同样的换热器其导热速率也不尽相同。
二，流动形式，流体在换热管路中的流动大致可以被分为两种形式，层流与湍流，层流形态中起导热作用的中介主要为流体分子，而湍流中起导热作用的主要中介为流体质点与流体微团，由于质点与微团热运动剧烈程度要比流体分子高许多，因此湍流时流体的热阻要比层流时的热阻小得多。
三，流体种类与相变，若流体传热过程中发生相变化其传热机理将发生变化，这也将体现在流体的传热系数的差异上。
四，传热面位置、形状及大小，包括板，管，翅片以及环隙等在内的传热面的形状、管径与管长等都为影响传热速率因素。
传热面布置与方位等均会使对流传热系数备受直接影响。
五，流体流动成因，流体流动可被分为强制对流和自然对流，在化工生产中一般采用泵等做功设备使流在换热器内发生体强制对流，强制对流传热系数比自然对流要高得多。
换热器加湿强化传热的实验研究
第42卷第10期2013年10月热力发电T H E R M A L P O W ER G E N E R A T l0NV01．42N o．100C t．2013换热器加湿强化传热的实验研究[摘要][关键词] [中图分类号] [D oi编号]杜弘1，徐彤彤2，杜1．西安恒瑞工程流体设备有限公司2．西安交通大学动力工程多相流国，陕西西安江1710061家重点实验室，陕西西安710049通过实验研究了干、湿工况下空气冷却器单排管翅片管的传热和阻力特性。
结果表明，在同样条件下加湿后阻力增加，风速越大阻力增加越多；加湿后由于表面的蒸发使换热系数随之增加。
根据实验结果分析给出了加湿后空气冷却器的换热系数计算关联式，为室外空气冷却器的设计提供参考。
空气冷却器；单排管翅片管；加湿；传热特性；阻力特性T K264．1[文献标识码]A[文章编号]1002—3364(2013)10—0094—04 10．3969／j．i ssn．1002—3364．2013．10．094E xpe r i m ent a l s t udy on heat t r ans f er enhancem ent w i t hw a t e r s pr ayi ng i n heat exchangerD U H on91，X U T ongt on92，D U J i an911．X i'an H e n gr ui En gi ne er i ng F l ui d E qui pm ent C o．，Lt d．，X i'an710061，C hi na2．St at e K e y Labo r a t or y of M uhi phas e Fl ow i n P ow er E ng i nee r i ng，X i'an Ji aot ong U ni ver s i t y，X i'an710049，C hi naA bs t r a ct：T he devel opm ent of ai r—cool i ng t echnol ogy ef f e ct i vel y s a ve s w a t e r r esour ce s．B ut it i s l ar gel y i nf l uence d by t he envi r onm ent al t em per a t ur e．So w at er s pr ay s ys t em i s a ppl i ed t o i m pr o ve cool i ng ca pac i t y of t he equi p m ent s and enhance hea t exchange pr oper t y of t he ai r s i de he at ex—c ha nger．A ga i nst t he si ng l e—r O W f i n t ube，t he cha r act er i st i cs of he at t r ansf e r and f l ow r es i st ance of t he ai r cool e r under dr y and w et c ondi t i on w er e e xpe r i m ent a l l y i nves t i gat ed．R e sul t s s how e d t hat，under t he s am e condi t i ons，not onl y t he f l ow r es i st ance but al s o t he hea t t r ansf e r coef f i ci en t i n—c r e as ed af t er t he w at er w a s s pr a ye d．A cc or di ng t o t he e xpe r i m ent al da t a，expr e ss i on of t he hea t t r a nsf er coef f i ci en t w as obt a i ned，pr ovi di ng t e chni cal s uppor t f or desi gn of t he out door ai r cool er．K ey w or ds：A i r—cool i ng；si ngl e—r ow f i n t ube；he a t t r ansf e r per f or m a nce；r e si st a nc e cha r act er i st i cs空冷换热器以空气作为冷却介质，受环境温度影响较大。
管壳式换热器的强化传热技术及展望
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
１ ・ 究 与 应 用 ・ ８ 研
纺织机械
２１ ０ ２年 第 １ 期
得 导流筒成 斜 口形 状 ， 证 流体 沿 周 向均匀 进 入 壳 保
体 ， 图 ２所示 。这种 结 构 基本 可 以克 服 等直 导 流 如 简 装置存 在 的介 质进 入 壳 程 时 流 体 阻 力 不 同 的缺
图 １ 多孔 介质 材 料 及 空 隙 表 面
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 （ 栅 、 杆
１ ３ 流 动 介质 强化换 热 ］ ．
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 ， 套 式 变 截 面 导 流简 装 置 是对 传 统 夹 的导 流筒 结构 的简 化 。该 装 置 采 用 变截 面结 构 ， 使
时可提高 流速 ， 利 于 在较 低 处 理 量 ： 下 纵 流 壳 有 Ｉ 况
程换 热器 传热性 能 的提 高 。 ３ ２ ４ 流量变 化 时 ， 同直径 的管 内传 热 系数 的变 ．． 不 化是不 同 的 ， 其 是 在 流 量 突 降 ， 内 的 流璇 足 尤 管
点 ， 流体能 够 比较 均 匀 的进 入 壳 程 。工业 实 际应 使 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 ａＡ ／ ｐ提 高 了 ５ ％左 右 ， 备 重 ０ 设 量减 轻 了 ２ ％－４ ％。同时传 热 效 率 大 幅度提 升 。 ０ － ０ 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 ， 时取得 了显著 的经济 效益 和社会 效益 。 同
套管换热器强化传热实验研究
第２ ８卷
第 ６期
煤 气 与 热 力
ＧＡＳ ＆ ＨＥＡＴ
Ｖｏ ＿ ８ Ｎｏ ６ ｌ２ ．
２０ ０ ８年 ６月
热 实验 研 究
刘 文 武 ， 杨 宗政 ， 刘振 义
ｃ ｉｓｉ ｎ ｅ ｕｂ ｎ ｏ ｏｌ ｎ ｉｎ ｒｔ ｅ ａ ｄ ｃ ｍｍｏ ｕ ｅ ｉ ｔ ｂ ｅ ｔｅ ｃ ａ ｇ ｒｆｒｓｅ ｍ— ｉ ａ ｘ ｈ ｎｇ ｄ ｂｅｗｅ ｎ Ｃ ＩＩ ｎ ｔ ｂ —ｎ—ｕ ｅ ｈ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ｏ ｔａ ａｒｈｅ ｔｅ ｃ ａ ｅ ａ ｔ ｅ ＯＴ１ ｎ 一 ｇ ｔｄ。ｕ ｅ ｆ ｌｉ ｌ ｅ ａ ｏ ａｉｎ ｔ ｂ —ｎ－ｕ ｅ ｔ ｘ ｈ ｎ ｅ ｎ ｓ ｏｈ—ｕ ｅ ａｌｎ ｌ ａｅ － ｂ ａｌ ｔ ｎｇ ｆ ｍ ｖ ｐ ｒｔｏ ｕ ｅ－ － ｂｅ ｈ ａ ｅ ｃ ａ ｇ ｒ ａ ｄ ｍｏ ｔ － ｂ ｆｌ ｇ ｆ ｍ ｅ ａ ｏ ａｉｎ ｉ ｉ ｔ ｔ ｉ ｉ ｖ ｐ ｒ ｔｏ ｔ ｂ —ｎ—ｕ ｅ ｈ ａ ｘ ｈ ｎｇ ｒｆｒｓｅ — ｔｒｅ ｃ ａ ｇ ．Ｕｎ ｅ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｏ ｉ ｏ ，ｔ ｅ ｈ ａ ｒ ｎ ｆｒ ｕ ｅ ｉ ｔ ｂ ｅ ｔｅ ｃ ａ ｅ ｔａ ｗａｅ ｘ ｈ ｏ ｍ ｎ ｅ ｄ ｒｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌｃ ｎｄ ｔ ｎｓ ｈ ｅ ｔｔａ ｓｅ ｉ ｃ ｅ ｃ ｅ ｔｏ ｏ ｏ ｆ ｉｎ ｆｃ ｍｍｏ ｕ ｅ－ —ｕ ｅ ｈ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ａ ｎｃｅ ｓ ｄ ｂ ７％ ｂ ｓｎ ｈ ｎ ａ ｃ ｄ ｈ ａ ｒ ｎ ｆｒ ｉ ｎ ｔ ｂ 。ｎ－ ｂ ｅ ｔｅ ｃ ａ ｇ ｒｈ ｓｉ ｒ ａ ｅ ｙ３ ｉ ｔ ｙ ｕ ｉ ｇ ｔｅ ｅ ｈ ｎ ｅ ｅ ｔｔａ ｓｅ ｍｅｈ ｄ ｗｉ ｎ ｅｔｒ ｉ ｎ ｒ ｔｂ ｔｏ ｔ ｉ ｓ ｒｅ ｎ ｉｎｅ ｕ ｅ，ａ ｄ ｔ ｅ ｈ ａ ｒ ｎ ｆ ｒｃ ｅ ｃｅ ｔｏ ａｌｎ ｌ ｅ ａ ｏａｉｎ ｔｂ —ｎ—ｕ ｅ ｈ ｎ ｅ ｔ ｔａ ｓｅ ｏ ｆ ｉｎ ｆ ｆｌｉ ｇ ｆ ｍ ｖ ｐ ｒ ｔ ｕ ｅ ｉ ｔ ｈ ｉ ｉ ｏ ｂ ｈ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ａ ｎ ｒ ａ ｅ ｙ２ ％ ｂ ｓｎ ｈ ｎ ａ ｃ ｄ ｈ ａ ｒ ｎ ｆｒｍｅｈ ｄ ｗ ｔ ｏ ｒ ｇ ｔｄ ｓ ｒａ ｅ ｅ ｔｅ ｃ ａ ｇ ｒｈ ｓｉ ｃ ｅ ｓ ｄ ｂ ７ ｙ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｅ ｎ ｅ ｅ ｔｔａ ｓｅ ｔ ｏ ｈ ｃ ｒｕ ａｅ ｕ ｆ ｃ ， ｈ ｉ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ： ｄｓ ｔ ｅ ｉ ｔ ｂ ｅ ｔｅ ｃ ａ ｇ ｒ； ｅ ａ ｅ ａ ｒ ｎ ｆ ｒ ｉ ｓ ｒｅ ｃ ｒｕ ａｅ ｕ ｅ ｕｂ —ｎ—ｕ ｅ ｈ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ｎｈ ｎｃ ｄ ｈｅ ｔｔａ ｓｅ ； ｎ ｅ ｒ； ｔ ｏｒ ｇ ｔ ｄ ｔｂ
管壳式换热器强化传热技术概述
管壳式换热器强化传热技术概述管壳式换热器是一种广泛应用于化工、石油、能源等领域的传热设备。
在传统的管壳式换热器中，传热效率往往受到传热面积、换热系数、导热系数等因素的限制。
为了提高传热效率，强化传热技术应运而生。
本文将介绍管壳式换热器强化传热技术的基本原理和应用。
管壳式换热器是一种广泛应用于化工、石油、能源等领域的传热设备。
它主要由壳体、传热管束、管板、折流板等组成。
在管壳式换热器中，两种不同的介质通过传热管束进行热量交换。
管束中的传热介质通过热对流和热传导两种方式将热量传递给管壁，管壁再将热量传递给另一种介质，从而实现两种介质之间的热量交换。
强化传热技术的原理主要包括：增加传热面积、提高换热系数、降低导热系数和增大比热容等。
这些因素共同影响着传热效率。
增加传热面积可以通过采用具有高导热系数的材料、增加传热管的数量或改变传热管的形状等方式实现。
提高换热系数可以通过改变流体的流动状态、减小流体的层流底层厚度、增加流体的湍流度等方式实现。
降低导热系数可以通过在管壁涂覆低导热系数的涂层、采用高导热系数的材料等方式实现。
增大比热容可以通过改变流体的流动速度、增加流体的浓度差等方式实现。
强化传热技术在管壳式换热器中的应用广泛，以下举几个例子：（1）蒸发：在蒸发过程中，强化传热技术可以有效地提高加热器的传热效率，减小能耗，降低生产成本。
例如，采用高频扰动技术可以增加液体的湍流度，减小传热膜系数，从而减少蒸发时间，提高蒸发效率。
（2）冷凝：在冷凝过程中，强化传热技术可以促进水蒸气与冷却水之间的热量交换，提高冷凝效率。
例如，采用细小肋片管可以增加传热面积，同时采用螺旋肋片管可以增加流体的扰动程度，减小传热膜系数，从而提高冷凝效率。
（3）受热面积增大：通过改变管束的排列方式或增加管束数量，可以增大管壳式换热器的受热面积。
采用多程管束可以增加壳程受热面积，同时采用小直径管束可以增加程数，从而进一步提高受热面积。
强化传热技术在管壳式换热器中具有广泛的应用前景，它可以有效地提高换热效率、减小能耗、降低生产成本，同时也可以延长设备的使用寿命。
强化传热技术
强化传热技术1、强化传热的⽬的是什么？（1）减⼩初设计的传热⾯积，以减⼩换热器的体积和重量；（2）提⾼现有换热器的能⼒；（3）使换热器能在较低温差下⼯作；（4）减少换热器的阻⼒，以减少换热器的动⼒消耗。
2、采⽤什么⽅法解决传热技术的选⽤问题？（1）在给定⼯质温度、热负荷以及总流动阻⼒的条件下，先⽤简明⽅法对拟采⽤的强化传热技术从使换热器尺⼨⼤⼩、质轻的⾓度进⾏⽐较。
这⼀⽅法虽不全⾯，但分析表明，按此法进⾏⽐较得出的最佳强化传热技术⼀般在改变固定换热器三个主要性能参数（换热器尺⼨、总阻⼒和热负荷）中的其他两个，再从第三个性能参数最佳⾓度进⾏⽐较时也是最好的。
（2）分析需要强化传热处的⼯质流动结构、热负荷分布特点以及温度场分布⼯况，以定出有效的强化传热技术，使流动阻⼒最⼩⽽传热系数最⼤。
（3）⽐较采⽤强化传热技术后的换热器制造⼯艺、安全运⾏⼯况以及经济性问题。
3、表⾯式换热器的强化传热途径有哪些？（1）增⼤平均传热温差以强化传热；（2）增加换热⾯积以强化传热；（3）提⾼传热系数以强化传热。
4、何为有功和⽆功强化传热技术？包括哪些⽅法？从提⾼传热系数的各种强化传热技术分，则可分为有功强化传热技术和⽆功强化传热技术两类。
前者也称主动强化传热技术、有源强化技术、后者也称为被动强化技术、⽆源强化技术。
有功强化传热技术需要应⽤外部能量来达到强化传热的⽬的；⽆功传热强化技术则⽆需应⽤外部能量即能达到强化传热的⽬的。
有功强化传热技术包括机械强化法、震动强化、静电场法和抽压法等；⽆功强化传热技术包括表⾯特殊处理法、粗糙表⾯法、扩展表⾯法、装设强化元件法、加⼊扰动流体法等。
5、单项流体管内强制对流换热时，层流和紊流的强化有何不同？当流体做层流运动时，流体沿相互平⾏的流线分层流动，各层流体间互不掺混，垂直于流动⽅向上的热量传递只能依靠流体内部的导热进⾏，因⽽换热强度较低。
因此，对于强化层流流动的换热，应以改变流体的流动状态为主要⼿段。
换热器的强化传热三因素
换热器的强化传热所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。
换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积（F ）；加大传热温差；提高传热系数（K ）。
1 换热器强化传热的方式1.1 扩展传热面积F扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。
在扩展换热器传热面积的过程中，如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热量，不光需要增加设备投资，设备占地面积大、同时，对传热效果的增强作用也不明显，这种方法现在已经淘汰。
现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备高效、紧凑的目的。
1.2 加大传热温差Δt加大换热器传热温差Δt是加强换热器换热效果常用的措施之一。
在换热器使用过程中，提高辐射采暖板管内蒸汽的压力，提高热水采暖的热水温度，冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水，空气冷却器中降低冷却水的温度等，都可以直接增加换热器传热温差Δt。
但是，增加换热器传热温差Δt是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段，使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。
例如，我们在提高辐射采暖板的蒸汽温度过程中，不能超过辐射采暖允许的辐射强度，辐射采暖板蒸汽温度的增加实际上是一种受限制的增加，依靠增加换热器传热温差Δt只能有限度的提高换热器换热效果；同时，我们应该认识到，传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。
所以，不能一味追求传热温差的增加，而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。
1.3 增强传热系数（K）增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。
管壳式换热器强化传热技术概述
根据强化传热 理论… ， 在管 的两侧范 围内，
需要 增 大传 热系数 较小 的一 侧才 能有效 改进 总传 热 系数 。 由于无 法 确定 所 有 工 况 下 ， 要增 大管 需
主， 而且传统弓形折流板换热器 占到总量 的 ７ ％ ０
管壳式 换热 器强化传热技术概述
Ｖ １ ． ｏ ０ ２ ｏ ９ Ｎ ７２ １ ２
～
８ ％ 。弓形 折 流板 换 热 器 固然有 其 优 点 ， 在 ０ 并
０ 引言
产 业 节能 方面 做 出 了巨大 贡献 ， 在 新 的节 能减 但 排 形 势下 ， 缺 点 （ 降 大 、 在 大 量 流 动 死 区 、 其 压 存 振 动 大 、 热 效 率 低 等 ） 重 限制 了 自身 的生 存 传 严 和 发展 空 间 ， 同时 也 推进 了强 化 传 热 理 论 和换 热
ｓｒ ｃｕｒ ｌ ｍｐ ｏ ｅ ｎ ｎｄ ｈ ａ ｒ ｎ ｆｒ ｅ ｈａ ｃ ｍｅ ｆ ｔ ｅ ｈ ａ ｘ ｈ ｎｇ ｒ ｒ ｉ ｔｏ ｕｃ ｄ ｈ ｏ ｇ ｔｕ ｔ ａ ｉ ｒ ｖ ｍｅ ｔ ａ ｅ ｔ ｔａ ｓｅ ｎ ｎ ｅ ｎｔｏ ｈ ｅ ｔ ｅ ｃ ａ ｅ ｓ ｗｅ ｅ ｎｒ ｄ ｅ ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｓ ｃ ｓ， ． ｔｂｅ ｐ ｓ ｓ ｅ ｌｐ ｓ ｎｄ ｔ ｈｒ ｅ ａ ｐｅ ｔ ｅ ｇ．ｕ ａ ｓ，ｈ ｌ ａ ｓ ａ ｈｅ ｗｈｏｅ ｔ ｂ ｂｕ ｄ ｅ ｅ ｅ Ｃｏ ａ ｅ ｔ ｈｅ ｔａ ｉ ｏ ａ ｅ － ｌ ｕ ｎ ｌ ｔ ． ｍｐ ｒ ｄ ｗｉｈ ｔ ｒ ｄｔ ｎ ｌｓ ｇ ｉ
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换热器的强化传热
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。
提高换热器的传热系数的方法总结
提高换热器的传热系数的方法总结1、改变流体的流动情况（1）增加流速增加流速可改变流动状态，并提高湍流脉动程度。
如管壳式热交换器中管程、壳程的分程就是加大流速、增加流程长度和扰动的措施之一。
管内湍流时增加流速对增强传热能收到较显著的效果，但又须注意增加流速也受到各种因素的限制。
因此，在设计或实际使用中应权衡各种因素，选择最佳流速或为流体输送机械所允许的流速。
（2）射流冲击这是使流体通过圆形或狭缝形喷嘴直接喷射到固体表面进行冷却或加热的方法。
由于流体直接冲击固体壁面，流程短而边界层薄，所以对流换热系数显著增大。
在用液体射流冲击加热面时，如热流密度已高至足以产生沸腾，则就成为两相射流冲击换热。
实验表明，此时不但可提高沸腾换热系数，而且可使烧毁点推迟，显著提高临界热流值。
（3）加插入物在管内安放或管外套装如金属丝、金属螺旋圈环、盘状构件、麻花铁、翼形物等多种型式的插入物，可增强扰动、破坏流动边界层而使传热增加。
如用薄金属条片扭转而成的麻花铁扰流子插入管内后，使流体形成一股强烈的旋转流而增强换热。
插入时若能紧密接触管壁，则尚能起到翅片的作用，扩展传热面。
大量的试验研究表明，加插入物对受迫对流换热等有显著增强的作用，但也会产生流动阻力增加、通道易堵塞与结垢等运行上的问题。
在使用插入物时应沿管道的全段流程，以保持全流程上的强化传热。
而且，在选择插入物的形式时，应考虑到在小阻力下增强传热。
（4）加旋转流动装置旋转流动的离心力作用将使流体产生二次环流，因而会强化传热。
上述的某些插入物，如麻花铁、金属螺旋丝等，除其本身特点外，也都能产生旋转流动。
在此要提及的是一些专门产生旋转流动的元件或装置。
例如，涡流发生器，它能使流体在一定压力下以切线方向进入管内作剧烈的旋转运动。
研究表明，涡旋强化传热的程度与雷诺数有关。
在一定的热源温度下，对流换热系数随着Re值而增加，且将达到某一个最大值然后下降。
在应用上应控制实际的Re值接近于使对流换热系数达最大时的临界Re值，以充分利用旋转流动的效果。
关于换热器传热过程的强化
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（3）减小垢层热阻。随着使用时间的增加，管壁处所 结的污垢会越来越厚。由于污垢的导热系数很小，热阻很 大。即使很薄的垢层，其热阻也可能很大，对易结垢流体 的传热，很容易成为关键的热阻。因此，应采用必要的措 施进行除垢。其主要措施有四条。①增大流速。可减少污 垢的沉积。②定期除垢。如蒸发操作，经常是蒸发一次， 清洗一次，清洗要求彻底干净。又如一年一度的大修，对 换热器进行的除垢。③采用化学的方法，如水中加入六偏 磷酸钠、三聚磷酸钠等除垢剂；又如进入锅炉的硬水进行 处理使其成为软水；再如对循环使用的水易生成生物污 垢，可用氯、溴、硫酸铜等作为生物杀菌剂等；④其他方 法，超声波除水垢，其原理是当超声波信号作用于液体中 时，使液体内形成许许多多微小的气泡（空化核），液体 中每个气泡的破裂会产生能量很大的冲击波，这种现象称 之为“空化效应”，超声波除垢正是利用液体中气泡破裂 所产生的冲击波来达到防垢除垢作用。
传热学 泡沫金属强化传热
传统的换热器形式
管壳式
紧凑度： <200 m2/m3 温度范围： -100-1100℃ 最大压力： 400bar
板式
紧凑度： 200~300 m2/m3 温度范围：-50~+350 ℃ 最大压力：20~60bar
紧凑度：
板壳式
紧凑度： 200~300 m2/m3 温度范围： ≤350 ℃ 最大压力： 70 bar
泡沫金属的发现及概念
面包 泡沫金属宏观结构
海绵 泡沫金属微观结构
发现
1948年美国的SoSnik利用汞在熔融铝中气化 得到泡沫金属，打破了金属只有致密结构的 传统概念，1980s开始上市，常见的有铝、镍 、铜以及铁合金泡沫。
概念
泡沫金属是一种在金属基体中形成无数三维空 间网状结构的多孔金属材料，它实际上是金属与 气体的复合材料，既有金属的特性又有气泡特性， 受到国内外的普遍关注。
问题：泡沫金属的导热系数是否等同于同类金属的 导热系数？
泡沫金属内任意截面上，都是一部分孔隙，另一部分金属。 其导热系数也应是两部分的复合。
有效导热系数keff
金属泡沫内的有效导热系数
Authors Calmidi
Fourie and Du Plessis
Ashby Singh and Kasana
泡沫金属强化传热
换热器的应用
电厂
航空
航天
石化
制冷
电子 器件
换热器是国民生产中的重要设备
强化传热的手段
Q =KA∆T
强
增大平均传热温差
化
传
扩大传热面积
热
途
径
提高传热系数
此法受生产工艺限制，不能随意变动，只能 在有限范围内采用。
关键热阻与换热器传热过程的强化措施
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关键热阻与强化换热器传热过程的措施徐忠娟(扬州化工学校， 扬州 225002)摘要： 本文阐明了强化换热器传热过程的最主要途径是降低关键热阻，分析了各种情况下的关键热阻，并对如何降低关键热阻提出了具体的措施。
关键词：关健热阻；换热器；传热系数；给热系数对于如何对换热器的传热进行强化，不少教科书和文献都作了分析，但在具体情况下采取何种措施，分析很少。
本文结合关键热阻［1］的概念进行了具体分析。
1. 强化传热途径分析：由传热速率方程式m t KA ∆=Q 可以看出换热器传热过程的强化可通过增大传热平均温度差m t ∆，增大传热面积A 和增大总传热系数Ｋ三个途径来实现。
1.1 增大传热平均温度差m t ∆传热平均温度差的大小主要取决于两流体的温度条件。
物料的温度由生产工艺决定，一般是不能随意变动，而加热介质和冷却介质的温度因所选介质的不同而不同。
显然这种方法受生产工艺、设备条件、环境条件及经济性等方面的限制，实际操作时有一定的局限性。
1.2 增大传热面积A增大传热面积A 可使传热量Q 增大，这对新设计的换热器而言，通常增大传热面积就意味着增加金属材料的用量，使设备投资费用提高，因此，我们在进行换热器的设计时应从设备结构入手，尽可能增加单位容积所具有的传热面积，有些措施见下面分析。
但是在既定的换热器上想增大传热面积是不现实的。
1.3 增大总传热系数Ｋ增大总传热系数Ｋ（即降低总热阻1/K ）是换热器强化传热的最主要的途径，无论是在换热器的设计时还是在换热器的运行中都必须设法提高K 值。
这也是当今世界上强化传热研究的重要工作。
那么如何提高总传热系数Ｋ呢？下面就这一问题笔者将作详细的分析。
2. 增大总传热系数Ｋ的措施分析由总传热系数Ｋ的估算公式：1110αλδα++++=A A i R R K i可见，传热过程是一较复杂的过程，传热的总热阻是串联各项热阻之和。
强化传热的措施
Q=KA△tm 为了减少集热器壁面的散热损失，集热器外要加装一种廉价的选择性材料－玻璃。 1）减少导热热阻：使用导热系数较高的材料作为导热介质。 多孔体吸收火焰辐射能后温度较高，也将向工件发射较多的辐射能并反射火焰的辐射能。 表面粗糙化及氧化膜：增加固体表面辐射率能够有效地提高物体表面的散热或吸热能力； 热量从分离器件或整个PCB传导到金属外壳或扩散板上，从而能提高发热电子组件的效率和使用寿命。 导热垫片是填充发热器件和散热片或金属底座之间的空气间隙，它们的柔性、弹性特征使其能够用于覆盖非常不平整的表面。 提高换热器综合效率、降低其寿命周期费用的最有效措施是强化传热。 辐射翅片的应用：设置辐射翅片以增大辐射散热面积。 通常，太阳能集热器采用价格便宜且容易获得的黑漆作为传热管的涂层。 利用热辐射特性减少能量损失：多孔体应用 圆管外加翅片，增大了换热面积。 在高温设备中，辐射换热是换热的主要形式。 提高换热器综合效率、降低其寿命周期费用的最有效措施是强化传热。 多孔体吸收火焰辐射能后温度较高，也将向工件发射较多的辐射能并反射火焰的辐射能。 表面粗糙化及氧化膜：增加固体表面辐射率能够有效地提高物体表面的散热或吸热能力；
HGST（原日立环球存储科技公司，现为西部数据 （NASDAQ: WDC）旗下子公司）将推出一款氦气充 填式硬盘驱动器（HDD）平台，它运用当今最先进的 技术，可提升存储容量，并大幅降低企业和云客户的 总拥有成本（TCO）。氦气较低的剪切力和更加高效 的热传导特性还意味着，驱动器的运行温度将会更低， 噪音也更小。
表面粗糙化及氧化膜：增加固散体表热面辐器射率采能够用有效铝地提合高物金体表的面的散散热热或吸片热能，力；底部则采用纯铜工艺，
物体表面粗糙化可以引起物体辐射率的增大。
提高接触表面光洁度或增加物导体间热的接性触压非力，常以增好加接，触面有积；利于迅速带走热量，同时还采用了
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换热器的强化传热所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。
换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积（F）；加大传热温差；提高传热系数（K）。
1 换热器强化传热的方式1.1 扩展传热面积F扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。
在扩展换热器传热面积的过程中，如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热量，不光需要增加设备投资，设备占地面积大、同时，对传热效果的增强作用也不明显，这种方法现在已经淘汰。
现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备高效、紧凑的目的。
1.2 加大传热温差Δt加大换热器传热温差Δt是加强换热器换热效果常用的措施之一。
在换热器使用过程中，提高辐射采暖板管内蒸汽的压力，提高热水采暖的热水温度，冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水，空气冷却器中降低冷却水的温度等，都可以直接增加换热器传热温差Δt。
但是，增加换热器传热温差Δt是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段，使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。
例如，我们在提高辐射采暖板的蒸汽温度过程中，不能超过辐射采暖允许的辐射强度，辐射采暖板蒸汽温度的增加实际上是一种受限制的增加，依靠增加换热器传热温差Δt只能有限度的提高换热器换热效果；同时，我们应该认识到，传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。
所以，不能一味追求传热温差的增加，而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。
1.3 增强传热系数（K）增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。
换热器传热系数（K）的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定，换热器传热过程中的总热阻越大，换热器传热系数（K）值也就越低；换热器传热系数（K）值越低，换热器传热效果也就越差。
换热器在使用过程中，其总热阻是各项分热阻的叠加，所以要改变传热系数就必须分析传热过程的每一项分热阻。
如何控制换热器传热过程的每一项分热阻是决定换热器传热系数的关键。
上述三方面增强传热效果的方法在换热器都或多或少的获得了使用，但是由于扩展传热面积及加大传热温差常常受到场地、设备、资金、效果的限制，不可能无限制的增强，所以，当前换热器强化传热的研究主要方向就是：如何通过控制换热器传热系数（K）值来提高换热器强化传热的效果。
我们现在使用最多的提高换热器传热系数（K）值的技术就是：在换热器换热管中加扰流子添加物，通过扰流子添加物的作用，使换热器传热过程的分热阻大大的降低，并且最终来达到提高换热器传热系数（K）值的目的。
总传热系数K的计算公式为:(1/K)=d2/(α1d1) + R1(d2/d1) +(δ/λ) (d2/dm)+R2 +α2式中:d1 - 管内径;d2 -管外径;dm -管平均直径;α1- 管内侧对流传热系数;α2-管外侧对流传热系数;R1-管内侧污垢热阻;R2-管外侧污垢热阻;λ-管壁材料的导热系数;δ-管壁厚度。
从上式中可知: 要提高传热系数, 必须设法提高α1 和α2及λ, 降低δ和内外污垢热阻R1 和R2。
当两个α值相差较大时, 要想K值提高, 应设法使α值小的增大; 当两个α值比较接近时, 则应同时予以提高。
根据对流传热的分析, 对流传热的热阻主要集中在靠近管壁的层流内层里, 在层流内层里的传热以传导方式进行, 而流体导热系数又很小。
针对这些情况, 可以相应采取一些措施:(1) 增加湍流程度, 以减小层流内层的厚度, 具体的方法是:○1增加流体的流速。
例如, 在列管换热器内可以采用多管程; 在夹套式换热器内增加搅拌等, 都可以增加流体的速度。
但是, 随着流体流速的增加, 流体阻力也跟着增加。
因此, 流速的增加也是有一定局限性的。
○2改变流动条件。
如果使流体在流动过程中不断改变流动方向, 可以使流体在较低的流速下就达到湍流. 例如, 在列管换热器的壳常可增设圆缺形或环形挡板, 以提高管外的对流传热系数; 板式换热器中, 流体在波形的板面间流动, 当Re= 200即进入湍流状态。
(2) 采用导热系数较大的载体选用K较大的载热体可减少层流内层的热阻,增大流体的对流传热系数. 目前原子能工业中采用液态金属作为载热体, 其导热系数比水的大十几倍,大大加快了传热速率。
(3) 采用有相变的载热体用饱和水蒸汽作加热剂比用热水作加热剂的传热效果就要好的多。
(4) 采用导热系数大的传热壁面(5) 减小污垢热阻污垢的存在将会使传热系数大大降低。
实践证明, 1mm 厚的水垢约相当于40mm 厚钢板的热阻。
当换热器使用时间一长, 垢层热阻将成为影响传热速率的重要因素, 因此, 防止结垢和及时除垢, 也成为强化传热的一个重要方法。
例如, 增加流速可减弱垢层的形成和增厚; 易结垢的流体常安排在管方流动, 以便于清洗, 采用机械或化学的方法或采用可拆卸换热器的结构, 以便于垢层的清除。
显然, 强化传热的途径和和方法是多方面的, 凡是可以利用的因素都应当尽可能的加以利用和发挥。
但是, 任何事物都是一分为二的, 某些措施和结构虽然有强化传热的作用, 但也可能出现另一方面的问题, 例如, 采用高压蒸汽可提高传热平均温度差, 但从经济角度和节能考虑, 则应尽量避免采用;一些新型换热器从强化传热角度来看是先进的, 但也会出现结构复杂、价格较贵、检查不便等的缺点。
因此, 对于某些实际的传热过程, 应作具体分析, 即抓住影响强化传热矛盾的主要方面; 并结合设备结构、动力消耗、检修操作等予以全面考虑, 采取经济而合理的强化传热的方法。
2 强化传热技术的分类强化传热技术分为被动式强化技术(亦称为无功技术或无源强化技术)和主动式强化技术(亦称为有功技术或有源强化技术)。
前者是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术; 后者是指需要加入额外动力以达到强化传热目的的技术。
2.1被动式强化传热技术2.1.1 处理表面包括对表面粗糙度的小尺度改变和对表面进行连续或不连续的涂层。
可通过烧结、机械加工和电化学腐蚀等方法将传热表面处理成多孔表面或锯齿形表面, 如开槽、模压、碾压、轧制、滚花、疏水涂层和多孔涂层等。
此种处理表面的粗糙度达不到影响单相流体传热的高度, 通常用于强化沸腾传热和冷凝传热。
2.1.2 粗糙表面该方法已发展出很多构形, 包括从随机的沙粒型粗糙表面到带有离散的凸起物(粗糙元)的粗糙表面。
通常, 可通过机械加工、碾轧和电化学腐蚀等方法制作粗糙表面。
粗糙表面主要是通过促进近壁区流体的湍流强度、阻隔边界层连续发展减小层流底层的厚度来降低热阻, 而不是靠增大传热面积来达到强化传热的目的, 主要用于强化单相流体的传热, 对沸腾和冷凝过程有一定的强化作用。
基于粗糙表面技术开发出的多种异形强化传热管在工业生产中的应用颇为广泛, 包括有: 螺旋槽管、旋流管、缩放管、波纹管、针翅管、横纹槽管、强化冷凝传热的锯齿形翅片管和花瓣形翅片管、强化沸腾传热的高效沸腾传热管以及螺旋扭曲管等。
2.1.3 扩展表面该方法已在很多换热器中得到了常规应用。
如翅片管等非传统的扩展表面的发展使传热系数有了很大的提高。
其强化传热的机理主要是此类扩展表面重塑了原始的传热表面, 不仅增加了传热面积, 而且打断了其边界层的连续发展, 提高了扰动程度, 增加了传热系数, 从而能够强化传热, 对层流换热和湍流换热都有显著的效果。
因此,扩展表面法得到越来越广泛的应用, 不仅用于传统的管壳式换热器管子结构的改进, 而且也越来越多的应用于紧凑式换热器。
目前已开发出了各种不同形式的扩展表面, 如管外翅片和管内翅片(包括很多种结构形状, 如平直翅片、齿轮形翅片、椭圆形翅片和波纹形翅片等)、叉列短肋、波型翅多孔型、销钉型、低翅片管、太阳棒管、百叶窗翅及开孔百叶窗翅(多在紧凑式换热器中使用)等。
2.1.4 扰流装置把扰流装置放置在流道内能改变近壁区的流体流动, 从而间接增强传热表面处的能量传输, 主要用于强制对流。
管内插入物中有很多都属于这种扰流装置, 如金属栅网、静态混合器及各式的环、盘或球等元件。
2.1.5 漩涡流装置包括很多不同的几何布置或管内插入物, 如内置漩涡发生器、纽带插入物和带有螺旋形线圈的轴向芯体插入物。
此类装置能增加流道长度并能产生旋转流动或(和)二次流, 从而能增强流体的径向混合, 促进流体速度分布和温度分布的均匀性, 进而能够强化传热, 主要用于增强强制对流传热, 对层流换热的强化效果尤其显著。
2.1.6 螺旋盘管其应用可提高换热器的紧凑度。
它所产生的二次流能提高单相流体传热的传热系数, 也能增强沸腾传热。
2.1.7 表面张力装置包括利用相对较厚的芯吸材料或开槽表面来引导流体的流动, 主要用于沸腾和冷凝传热。
芯吸作用常用在没有芯吸材料冷却介质就不能到达受热表面的情形, 常见的如热管换热器; 还对水中表面的沸腾换热强化非常有效。
2.1.8 添加物包括用于液体体系的添加剂和用于气体体系的添加剂。
液体中的添加剂包括用于单相流的固体粒子与气泡和用于沸腾系统的微量液体; 气体中的添加剂包括液滴和固体粒子, 可用于稀相(气固悬浮液)或密相(流化床)。
2.1.9 壳程强化壳程传热的强化包括两个方面:一是改变管子外形或在管外加翅片, 即通过管子形状或表面性质的改造来强化传热; 二是改变壳程挡板或管间支撑物的形式, 尽可能消除壳程流动与传热的滞留死区, 尽可能减少甚至消除横流成分, 增强或完全变为纵向流。
传统的管壳式换热器, 通常采用单弓形折流板, 其阻力大、死角多、易诱发流体诱导振动等弊端已严重影响换热器传热效率, 对工业生产和应用造成相当大的影响。
据此, 近年研究出了许多新的壳程支撑结构, 有效弥补了单弓形折流板支撑物的不足, 如双弓形折流板、三弓形折流板、螺旋形折流板、整圆形折流板(包括大管孔、小圆孔、矩形孔、梅花孔和网状整圆形折流板)、窗口不排管、波网支撑、折流杆式、空心环式、管子自支撑(包括刺孔膜片式、螺旋扁管式和变截面管式)、扭曲管和混合管束换热器式以及德国GRIMMA公司制造的纵流管束换热器等。
2. 2 主动式强化传热技术2.2.1 机械搅动包括用机械方法搅动流体、旋转传热表面和表面刮削。
带有旋转的换热器管道的装置目前已用于商业应用。
表面刮削广泛应用于化学过程工业中黏性流体的批量处理, 如高黏度的塑料和气体的流动, 其典型代表为刮面式换热器, 广泛用于食品工业。