换热设备强化传热的分析与措施教学文稿

换热设备强化传热的分析与措施
换热设备强化传热的分析与措施
路晓琳
【摘要】换热器是工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，如何有效地改善其传热性能是人们一直所关心的问题，强化传热则是改善其传热性能的最重要手段之一。

本文首先介绍了换热器的应用和地位，以传热基本方程式为出发点分析影响换热器传热的因素及改善措施，并对如何有效强化传热系数的方法和技术进行了深入的研究。

【关键字】换热器；强化传热；传热基本方程式；传热系数
随着化工、石油、冶金、轻工等工业领域的迅猛发展，能源紧缺也成为了世界性重大问题之一，尺寸小、重量轻、换热能力大的换热设备因此成为各工业部门大力发展和研究的方向，以减少设备的投资和运转费用。

换热器是过程工业中应用广泛的单元设备之一，据统计，在化学行业中，所用换热器的投资大约占设备总投资的30%左右；在炼油厂中，换热器占全部工艺设备的40%左右；在热电厂中，换热器的投资约占整个电厂总投资的70%左右；海水淡化工艺装置更是几乎全部由换热器组成，提高换热器的传热效率，对于提高能量利用率、节能降耗是一种很有效的途径，因此强化传热的研究成为了人们关注的课题。

换热器的强化传热就是通过改变影响传热过程的各种因素力求使换热器在单位时间、单位传热面积上传递更多的热量，通过这种改善传热性能的技术，提高换热器的传热效率，以达到用最经济的设备来传递更多热量的目的，实现能源的合理利用。

一、传热强化概述
换热设备稳定传热时的传热量为Q，传热基本方程式可以表示为：
Q=KA△t m
由方程式可知，换热设备的换热量分别与传热系数K、换热面积A、传热温差t m成正比，三者均是影响传热量的重要物理量，因此，扩大传热面积A、增大传热温差t m、提高传热系数K均可以使传热过程强化。

1、扩大传热面积A
扩大传热面积是实现换热设备传热强化的一种有效途径，扩大传热面积不应该靠加大设备的外部尺寸来实现，应从设备内部结构来考虑，使换热设备高效而紧凑。

在管壳式换热器中，一般采用以下措施：
（1）采用合适导流筒结构，最大限度地换热器传热死区，高效利用换热面；
（2）采用小直径换热管，并选择合适的管间距或排列方式来合理的布置受热面，在加大传热面积的同时，还可以改善流动特性；
（3）采用扩展表面换热面，尽可能增大换热器的有效传热面积；
（4）改良传热表面性能，将管子内、外表面制成各种不同的表面形状；
2、增大传热温差t m
增大传热温差t m的方法一般有两种：一是对无相变的流体，尽可能使冷、热流体相互逆流，或采用换热网络技术，合理的布置多股流体流动与换热；二是增加冷、热流体进出口温度差来增大平均传热温差t m。

无论哪种方法，因为有工艺和设备条件的限制，都只能在有限的范围内采用，因此我们不能把增大传热温差t m作为增强换热器传热效果的主要手段。

3、提高传热系数K
提高换热设备的传热系数是传热强化的重要途径，也是当前研究传热强化的重点。

提高传热系数的方法大致可以分为一下几种：
（1）减小污垢热阻R。

换热器在运行一段时间后，由于污垢的积存，会导致单位时间内传热量Q的下降，传热速率降低，因此提高流体流速、减小污垢热阻是强化传热的方法之一。

主要方法如下：①采用抗腐蚀、抗污垢性强的换热管；（如聚四氟乙烯塑料管、有机涂层换热管。

）②在介质中加入类似无机磷系药剂等阻垢剂类微量物质，阻缓换热器结构，减小垢下腐蚀，（可以确保设备长时间高效运行，延长使用寿命）；③定期清洗污垢，常用方法有机械清洗（高压射流、喷丸、振动和固体颗粒流态化等清洗方式）和化学清洗（酸洗、碱洗、氨洗、专用溶剂和燃烧等清洗除垢法），一般常将机械和化学清洗两者结合使用，但有些清洗剂在溶解垢层的同时，对设备本身也会产生腐蚀，
所以需加入缓蚀剂，防止腐蚀。

在日常生产中，针对不同换热设备的本身材质、介质性质以及污垢种类等因素，采取不同的除垢方式来减小污垢热阻。

（2）主动式强化（有源强化）。

指需要采用外加的动力，消耗外部能量来增强传热的技术。

主要通过对换热介质做机械搅拌、促进换热表面振动和流体振动、
利用电磁场促使换热表面附近流体的混合、引射与虹吸等方法来强化传热，由于
主动强化传热技术受外加能量等因素的限制，商业价值低、投资与操作费用大、机理较复杂、伴随有振动和噪声，因此换热器的强化传热目前多采用被动强化。

（3）被动式强化（无源强化）。

指不需要附加动力，只改变传热元件本身来增强传热的技术。

管壳式换热器的强化传热目前主要分为两个方向：管程强化传热和壳程强化传热。

下面将重点介绍。

二、传热系数的强化措施
1、管程强化传热
管程强化传热技术可归纳为两个方面：一是采用新型结构的换热管，通过改变换热管形状以加大管程流体湍流程度或传热面积，二是管内插物。

（无论是新型换热管还是管内插物，其机理都是破坏层流边界层，增加流体的湍流程度，提高传热系数，从而提高换热器的整体传热效率。

）
（1）新型结构管
①横纹管。

如图1，采用变截面连续滚轧成型，管外形成与管子轴线成90°相交的横向沟槽，管内呈横向凸肋。

流体流经管内凸肋时沿着整个截面产生轴向涡流，增加了流体边界层的扰动，有利于热量的传递，当涡流即将消失时，流体又流经下一个凸肋，不断产生轴向涡流，使传热得到连续且稳定的强化。

图1 横纹管结构图图2 螺旋槽管结构图
②螺旋槽管。

如图2，管外有带一定螺旋角的沟槽，管内为相应的凸肋。

凸起和槽纹使得管中的流体形成轴向流动和旋转流动，达到了充分的湍流，产生的漩涡以及近壁面处流体的扰动破坏了边界层厚度，促进了传热，湍流度的增加有效的避免了污垢在传热面的沉积，提高了传热系数，增强了管内外流体的换热。

螺旋槽愈深，流阻愈大，螺旋角愈大，愈有利于换热。

③翅片管。

由光管内或外接翅片制成，翅片按截面形状可分为矩形、T 形、花瓣形、钉翅等。

翅片结构不仅有效增加了传热面积，同时改变了流体的流动形式和阻力分布。

（2）管内插物
管内插物是利用各种金属的条、带、片和丝等绕制或扭曲成螺旋形，或冲成带有缺口的插入带来改变管内流体的流动路径，加强流体的扰动，提高湍流强度，扩大传热面积，从而获得较高的传热系数，达到强化传热的效果。

2、壳程强化传热
换热设备壳程强化传热的途径主要有：一是改变管子外形活在管外加翅片，即通过管子形状或表面性质的改变的来强化传热，如外翅片管、螺纹管等；而是改变壳程挡板或管束支承结构，改变壳程流态，减少或消除壳程流动和传热的滞留死区，达到充分利用传热面积的目的。

（1）改变壳程挡板结构
①双弓形和多弓形折流板
大多传统的管壳式换热器多采用单弓形折流板，壳程流体易产生滞留死区，换热不充分。

双弓形和多弓形折流板换热器在壳程将流体分为两股或多股平行流，横向流动长度缩短，压降明显小于单弓形折流板，且远大于传热系数的降低程度，故综合性能优于单弓形折流板换热器。

②网状整圆形折流板
网状整圆形折流板是在整圆形折流板、带小孔的整圆形折流板、异形孔整圆形折流板的基础上依次改进产生的，它首先改变了弓形折流板换热器中的横向流动，避免了流体因转弯而引起的滞留死区，提高了流体在壳程的流速，其次弥补了整圆形折流板加大换热器壳体的直径，缺乏对管束的支撑，管束抗振
性能很差的不足，同时还改善了带小孔的整圆形折流板易结垢和腐蚀、异形折流板加工困难的缺陷。

网状整圆形折流板流体压力降小，通透性好，传热面积被充分利用。

（2）改变管束支承结构
①杆式支承结构
折流杆支承结构是由一系列焊有折流杆的折流圈组成的折流笼。

折流杆交错穿插于管子之间，折流杆的直径与相邻管子之间的间隙基本相同，因此管子被折流杆紧紧固定住。

由于折流杆换热器壳程流体的流动方向主要为纵向流动，不仅消除了传热死区、减小了壳程压力降和流体的诱导振动、还因为流体对管壁较强烈的冲刷，使传热边界层减薄，强化了传热。

②自支承结构
自支承结构主要是通过采用如刺孔膜片管、螺旋扁管和变截面管等形式的自支承管来简化管束支承，提高换热器的紧凑度。

其特点是换热器利用管自身一部分或变径部分的点接触来支承管子，同时组成了壳程的扰流元件，增强了流体的湍流度，破坏了流体传热边界层，从而起到了强化传热的作用。

改变管束支承结构的方法有很多，除了上述两种，螺旋折流式支承结构、空心环支承结构在实际生产中得到了不用程度的应用，强化传热效果显著。

换热器被广泛应用于各个行业，能源的紧缺使世界各国对换热器传热强化技术的研究、开发和应用越来越加以重视，提高传热效率和节能减耗便成为了众多领域研究的方向。

因此，强化传热的机理以及设备的结构将不断被深入改进，实现更加完善和实用的高效换热设备。