换热器强化传热技术的研究进展_李安军

收稿日期:2007-08-09李安军(1979～　),研究生;114051　辽宁省鞍山市。

换热器强化传热技术的研究进展

李安军　邢桂菊　周丽雯

(辽宁科技大学材料科学与工程学院)

摘　要　介绍了被动式强化传热技术的研究进展,简述了典型和新型传热元件的开发和应用,针对换热器传热管表面处理技术,管的内插件和管束支撑结构的发展状况展开分析和论述;探讨了强化传热技术的发展方向,数值模拟和场协同原理技术的应用使换热器结构趋于最优化,强化传热技术由单一型向复合型方向发展,逐渐形成第三代传热技术。关键词　强化传热　传热元件　管束支撑　换热器　节能技术

P r o g r e s s i n s t u d y o n t e c h n o l o g y o f h e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n t

f o r h e a t e x c h a n

g e r

L i A n j u n X i n g G u i j u Z h o u L i w e n (U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y L i a o n i n g )

A b s t r a c t P r o g r e s s i n s t u d y o nt e c h n o l o g y o f h e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n t w a s i n t r o d u c e d ,d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f t y p i c a l a n d n e wt y p e h e a t t r a n s f e r c o m p o n e n t s w e r e d e s c r i b e d b r i e f l y ,a n d t h e d e v e l -o p m e n t s t a t u s o f t h e t e c h n o l o g y o f h e a t e x c h a n g e t u b e 's s u r f a c e t r e a t m e n t ,t u b e p l u g g e d -i n o b j e c t s a n d t u b e b u n d l e s u p p o r t w e r e a n a l y z e da n ds t u d i e d .T h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o no f h e a t t r a n s f e r e n h a n c e -m e n t w a s d i s c u s s e d .T h ea p p l i c a t i o no f n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n df i e l ds y n e r g yp r i n c i p l e sm a d et h e s t r u c t u r e s o f h e a t e x c h a n g e r o p t i m i z e d ,t h et e c h n o l o g yo f h e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n t d e v e l o p e df r o m s i n g l e t oc o m p o u n d a n dg r a d u a l l y f o r m e d t h e t h i r d -g e n e r a t i o no f h e a t t r a n s f e r t e c h n o l o g y .

K e y w o r d s h e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n t h e a t t r a n s f e r c o m p o n e n t s t u b eb u n d l es u p p o r t h e a t e x -c h a n g e r e n e r g y c o n s e r v a t i o n t e c h n o l o g y

随着现代工业的迅速发展,以能源为中心的

环境、生态等问题日益加剧,节能是非常重要的,也是当务之急,世界各国都在寻找新能源和节能新途径。换热器作为换热设备,广泛应用于冶金、化工等各个工业领域中,强化传热技术的应用不但节能环保,而且节约了投资和运营成本,所以,换热器的强化传热技术一直以来都是一个重要课题,受到研究人员的重视,各种研究成果不断涌现。

20世纪80年代以来,强化传热技术被誉为

第二代传热技术〔1〕

,并得到充分的发展。它是

能够显著改善传热性能的节能技术,其主要内容是强化传热元件和改变壳程的支撑结构,用以提高换热效率,达到生产的最优化。

强化传热技术通常分为主动式和被动式两大类。主动式强化传热需要消耗外部能量,如采用电场、磁场、光照射、搅拌、喷射等手段。被动式强化传热则不需要消耗外部能量,是换热器强化传热主要采用的方法,如传热管的表面处理、传热管的形状变化、管内加入插入物,改变支撑物等

〔2〕

。这里主要介绍被动式传热。

1　传热管的表面处理

1.1　无相变传热

无相变传热是指在对流换热中不发生蒸汽凝结或液体沸腾的换热过程。工业生产中,主要应用的异形管有:螺旋槽管、旋流管、波纹管、缩放管、横纹管、螺旋椭圆扁管、变截面管、内肋管等〔3〕。这种传热管的特点是,结构简单,加工方便,传热面积增加,传热效果大大增强,换热器的结构更加紧凑,减小投资,节约成本。

(1)螺旋槽管

螺旋槽纹管是表面具有螺旋形凹槽的一种强化传热管,传热管内外表面的凸起或槽纹,干扰了管内流体的流动,破坏了层流边界层,流动状态达到充分的湍流,产生的漩涡又不断地扰动边界层的流体,促进了传热管同流体间的热交换;湍流度的增加也有助于避免污垢在传热管壁面的沉积,提高传热系数,增强了管内外流体的换热。螺旋升角对换热的影响很大,大螺旋升角更有利于换热〔4〕。研究表明,螺旋槽管换热器比光管的传热系数提高了2～4倍,在阻力损失和换热面积相同时,换热量可增加30%～40%〔3〕。

旋流管是螺旋槽纹管的衍生品,也叫异型螺旋槽管。其槽纹是半流线的勺形或W形,流体在其内流动呈波状特性,它的传热机理与螺旋槽管大体相同。这种传热管的传热面积和传热系数大大增加,传热系数比光管提高3.5倍,并且,在相同传热量下旋流管的换热系数比螺旋槽管高3%～8%,而压力损失低5%～10%〔5〕。

(2)波纹管

波纹管是表面有波纹状突起的强化传热管,由于波纹管的壁很薄,传热管可以自由伸缩。流体在管内流动时,截面不断的变化,扰动流体,破坏层流边界层,以强化传热。波纹管的传热效率通常是光管的2～4倍,同时还具有除垢能力强,温差应力小,结构紧凑轻巧等特点〔6〕。

波纹管的壁薄,有波纹突起,可以有效地消除纵向应力,但是波纹管的强度问题没有很好的解决,应用范围受到限制。

(3)横纹管

横纹管由光管的外表面被滚压成一圈圈有序的环形凹槽而成,与管子轴线成90°角。影响横纹槽管综合传热性能的主要结构参数为肋节距和肋形,而肋高影响较小,并且传热综合因子随流动R e数增大而迅速降低。横纹抗垢能力要优于光管,渐近污垢热阻值约为光管的0.83,污垢状态下横纹管的强化比约为1.4,说明横纹管其性能比光管要好〔7〕,也比螺纹管好,在同样传热效果下,阻力增加比螺旋槽管少。

(4)螺旋椭圆扁管

螺旋椭圆扁管是把圆形光管压成椭圆形,然后扭曲而成,流体在管内处于螺旋流动状态,因而破坏了管壁附近的层流边界层,提高了传热效率。这种管束结构的特点是:两个并行排列的相邻管子的椭圆长轴相互接触,互相支撑,应用这种管的换热器取消了附加的管束支撑物,节约了材料和成本。

研究表明,螺旋椭圆扁管换热器具有较好的强化传热性能,管径大小和螺旋导程对传热和阻力性能均有影响。从综合性能来看,大管径优于小管径;对于相同规格的管子,导程增大,传热性能降低,流动阻力减小〔8〕。这种结构的换热器与光管换热器相比,热流密度高50%,容积小30%。

1.2　有相变传热

有相变传热是指在对流换热中发生蒸汽凝结或液体沸腾的换热过程,有相变传热常用的异形管有:锯齿形翅片管、花瓣形翅片管、T形管和表面多孔管(麻坑管)等〔3〕。

(1)冷凝传热的锯齿形翅片管和花瓣形翅片管

锯齿形翅片管是一种新型传热管,其翅片外缘有锯齿缺口,加强了流体的扰动,促进对流换热,换热面积增大,增强了换热量,锯齿管的传热系数是光管的6倍,是低肋管的1.5～2倍。花瓣形翅片管是一种特殊的三维翅片结构强化传热管,从截面上看,各翅片像花瓣状而得此名。花瓣形翅片管既能显著地强化低表面张力介质及其混合物和含不凝性气体的水蒸气的冷凝传热,又能显著地强化空气和高粘性流体的冷却传热,有研究表明:自然对流条件下,其传热系数比锯齿形翅片管提高了8%～10%,在强制对流下,是光管的5～6倍。

(2)强化沸腾传热的T形管和表面多孔管