波纹管换热器性能及效益分析

波纹管换热器性能及效益分析

晨怡热管2008-5-20 0:10:51

1、引言

换热器是热能交换的主要设备，在热电联产、集中供热、石油化工、油品输送、冶金、轻工及宾馆、医院等领域具有广泛的应用。下面我要分析介绍的波纹管换热器，是我公司根据客户要求及借鉴外来经验设计研制的换热器，是一种新型的高性能的热交换器，是换热器家族中一个高新技术产品，也是我国自己研制与应用的唯一具有竞争力及优越性能的换热器。其具有高效、安全、可靠、节能、不易堵漏、密封周期长的，综合性优点，尤其适合在高温、高压的条件下实用。

本文根据传热学原理，对波纹管换热器的结构特点，进行了详细的理论及技术性能分析、经济效益和社会效益的分析。对今后压力容器行业换热器产品的更新改造有着较大的借鉴意义。

2 波纹管换热器的主要结构特点

2.1 传热原理

我们先来分析一下间壁两侧流体热交换过程:流体在圆管内流动时，分层流层和湍流层，介质在管内各点的速度随该点与管中心的距离而变，距离管壁附近流速最慢，为层流层，越离管壁较远处，流速越快，为湍流层。

物质间热交换过程有三种：热辐射、对流传热和热传导。化工中常遇到的是温度不太高的流体间的热交换问题,此时辐射传热通常可不予考虑。热量自热流体传到间壁表面的一侧,或

自间壁另一侧表面传给冷流体,都属于对流传热。对流传热是在流体流动的过程中发生的热量传递现象,所以和介质流动的情况密切相关。即使是在湍流流动的情况下，流体主流中由于旋涡丛生，流体各部分相互混合，所以热阻很小，从而在和流体流动方向垂直的截面上，湍流中心区各点流体之间的温度趋于一致；但在紧靠壁面处，总有一层流体膜顺着壁面作层流流动，称为层流底层。在冷流体一侧，热量在传入冷流体主体之前，必须首先通过它。由于通过这层流体膜的传热是以导热方式进行的，所以流体膜虽薄，却是对流传热的主要热阻，温度降也主要集中在层流底层中。

图1为对流传热时沿热流方向的温度分布情况示意图。图中F1F1与F2F2为层流底层的界面，T`为热流体中心温度，也即最高温度，t`为冷流体中心温度，也即最低温度。在热流

体的湍流主体中，由于流体质点充分混合，温度基本上是一致的，即图中T`。在层流底层内，由于热阻较大，温度急剧由Tb下降到Tw。在层流底层和湍流主体之间，存在一个温

度逐渐变化的区域，称为过渡区，其中温度由T`下降到Tb。再往左通过管壁，因其材料通常为金属，热阻很小，因此，管壁两侧的温度Tw和tw相差很小，此后在冷流体内，又顺

次通过层流底层、过渡区而到达湍流主体，温度由tw经tb下降到t`。图中曲线twtbt`和曲线T`TbTw的意义相似。

图1 对流传热时沿热流方向温度分布情况

2.2总传热系数影响因素

传热学传热速率公式如下：

Q=KA(T-t)-----------------------（2-1）

式中: Q------换热量

K------换热系数

A------换热面积

(T-t)------传热温度差

从公式（2-1）可以看到，换热量和换热系数K 成正比，要提高换热器的热交换能力，就必须想办法提高换热系数K值。

对流传热时根据传热学原理,圆筒型壁热交换管的总热阻公式为：

1/K=1/α1+b/λ(d1/dm)+1/α2(d1/d2)+Rs(d1/d2)-----（2-2）

式中: K------总传热系数

α1、α2------管壳程对流传热系数

b------换热管壁厚

λ-----换热管传热系数

Rs-----污垢热阻

d1、d2、dm-----分别为换热管内径、外径、中径

2.3提高换热器换热性能途径分析:

由2.1 间壁两侧流体热交换过程及公式（2-2）可以看出，要想提高热交换器的换热性能，就要努力降低总热阻1/K，既提高总热交换系数K值，从中不难看出提高换热系数K值有如下途径：

1）．减少层流层，增加湍流层，从而提高对流传热系数α1、α2：

由化工原理中有关传热学知道，K值几乎主要取决于对流传热系数，则必须设法同时提高流体两侧的对流传热系数α1、α2。

2）．减少传热距离，既减小换热管壁厚b。

3）．提高传热系数λ

可以通过选用导热性能好的换热管材料实现。

4）．降低污垢热阻Rs

当污垢热阻起很大作用时，则必须设法减慢污垢生成速率或勤予清洗。

2.4 波纹管换热器结构特点:

如图2所示为波纹管换热器的一般设计结构,其外表与普通换热器相同,壳程采用普通的圆筒形结构，其与普通换热器相比，最大的特点是管程采用薄壁不锈钢波纹式换热管,波纹换热管结构组件见图3，它是由壁厚为0.5mm～0.7mm的管料经过挤波器设备加工而成，使换热管壁形成一个个凸起，并经过与其焊接的管套，与管板进行强度焊接而成。

图2 波纹管换热器结构

图3 波纹换热管结构组件

3 波纹管换热器性能分析

3.1波纹管换热器换热性能分析:

(1)良好的对流传热性能

由于换热管壁制造成一个个的波纹,所以介质在管内流动时,其层流层被凸凹不平的壁面所破坏,这样就大大提高了介质的湍流层, 形成不断的旋涡式湍流流动,可达到更充分的换热效果，从而提高了介质间的对流传热系数α（可大约提高2～３倍），降低了对流热阻1/α，使波纹换热器具有良好的对流传热性能。

(2)良好的热传导性能

本设备波纹换热管采用不锈钢薄壁管制成，不锈钢具有良好的热传导性能，即热传导系数λ大。切采用０.5ｍｍ～0.7ｍｍ的薄壁管,这样就保证减小了传导热阻b/λ值。

普通换热器的换热管壁厚一般厚度达２ｍｍ～３ｍｍ,而波纹管换热器与之相比，同材质情况下可提高热传导性能２～３倍。所以它具有良好的热传导性能。

(3)较低的污垢热阻

由于换热管采用波纹形,所以介质在换热管内外壁流过时,增加了湍流流速,形成了一个个向前不断涡流流动的流态，大大减少了介质在换热管内外壁上积垢的可能，从而大幅度降低了污垢热阻Rs。

(4)单位容积传热面积大