管壳式换热器文献综述

翅片管换热器传热特性的数值模拟研究文献综述

姓名：姜晴班级：热动1班学号：20120390115 引言

能源是人类社会生存和发展的重要保障。近年来;我国工业化和城镇化步伐加快,能源需求量进一步增加。据有关专家预测,若以2000年我国能源消费数据为基点,到2010和2020年,我国能源消费总量增长幅度将分别达到38%和89%,2010年能源消费总量将增长到22.4亿吨标准煤,而2020年则为25.5亿吨一30亿吨标准煤[1]。由此可见,在未来几十年里,随着我国经济的飞速发展和人口的不断增长,能源供给相对不足的矛盾将日益突出,能源供给问题将成为制约我国经济社会发展的重要因素。

为确保我国经济平稳、协调和可持续发展,寻找新能源或可再生资源,以及合理地利用现有资源将是关键所在。对于合理利用现有资源,我国政府提出在“十一五”期间,各级政府和企业要把“节能减排”工作放在重要地位。我国目前的能源利用效率仅为36%左右,远低于发达国家50%的能源利用率水平[2]。而我国能源利用率低下的一个重要因素,是大量工业余热没有得到充分利用。有统计数据表明,我国钢铁、有色、化工、建材、石化、轻纺、机械等几大能耗大户,余热利用率仅为4%一5%,工业炉窑热效率低于70%[3]。

不同温度水平的余热其利用价值也不同,一般可将余热资源分为高温余热、中温余热和低温余热。由于不同物质形态的余热,可利用程度不同,所以温度划分也有差别。对于固态余热,500℃以下的为中、低温;气态余热200℃以下的算中、低温;对于液体余热80℃以下可视为中、低温[4]。从现代热物理学的观点来看,同样多的热量,在不同的温度下可供利用的价值不同。余热源的温度越低,能量的品位就愈低。而据统计,在工业生产中,人们所利用的热能中平均有50%最终以低品位余热的形式直接排放[5]。这部分未经利用的余热直接排放到环境中,不但造成了巨大的能源浪费,也给环境带来了严重的热污染。据初步测算,能源利用效率每提高1个百分点,即可节省能源费用130多亿元[6]。

总的说来,我国能源利用效率低,节能潜力巨大。随着化石燃料的日益枯竭和环境问题的日渐严峻,中低温余热的回收利用技术将成为节能领域研究的重要课题。

一、强化传热技术发展现状

强化传热技术,一般是指通过对影响传热的各因素的分析和计算,采用某些技术措施以提高换热设备的换热能力,或者在满足原有传热量条件下,使换热设备尺寸减小,并减少换热器的阻力和动力消耗,从而更好的满足现代化生产的需

要。作为热工过程的通用设备之一,换热设备广泛地应用于动力、冶金、石化及制冷等行业。近年来,由于全球面临着能源短缺的威胁,因而在换热设备设计制造领域纷纷引入了强化传热技术。

1、强化传热的途径和分类

要使换热器中传热过程强化,要提高换热器在单位面积、单位时间内的换热量,可以通过三种途径来实现,即:增大平均传热温差、增加换热面积和提高传热系数。

(1)增大平均传热温差。增大平均传热温差的方法有两种:一种是当冷热流体进出口温度一定时,可以通过流程的布置来增大平均温差,同样的进出口温度下,逆流布置的温差比顺流布置大,因而换热器布置尽量采用逆流或接近逆流的布置形式;另外一种方法是提高热流体温度或降低冷流体温度。

(2)增加换热面积。增加传热面积是研究得最多的一种强化传热方法,也是一种很有效的强化换热途径。它主要通过对对流换热面结构的改进来增大单位体积的传热面积,从而使得换热器更加紧凑。采用扩大换热面后,不仅能够增加换热面积,降低对流换热热阻,而且如果结构选择合适,还能提高换热器的传热系数。增加换热面积有多种形式,如采用翅化表面的翅片管、螺纹管、板翅式换热面等;采用异型表面,包括各种凹凸形、波纹形、扁平形传热面以及截面形状和大小变化的流道,这不仅使传热面积有所增加,还使流动状态改变,增大扰动度,减小边界层厚度,从而强化传热;采用小直径的管子,有两方面的好处,首先,管径减小可以在相同体积内布置更多的传热面,使换热器更紧凑,其次,管径减小后,管内紊流度增大,可使层流底层变薄,换热系数加大;采用多孔表面,用金属微粒或丝网烧结,涂敷于传热面上,或用化学、机加工等方法形成多孔表面,不仅增加了传热面积,而且会改善换热状况,对于强化沸腾和凝结过程特别有效。

(3)提高传热系数。增大换热面积和平均传热温差在工程实际中往往受到多方面条件的限制,因此,在换热面积和平均传热温差给定时,提高传热系数成为了唯一的强化传热途径。所以,当今提高换热器的传热系数以增强传热已经成为研究的重点。提高传热系数,有以下途径:提高传热面两侧的换热系数;选用导热性能良好的材料作传热间壁,并尽可能减薄间壁厚;避免或减小污垢热阻。理论计算表明:当传热过程各环节的分热阻数量级接近时,应同时减小各分项热阻;当传热过程各环节分热阻数量级较悬殊时,应设法减小最大分热阻[7]。

此外,强化传热技术还可以从其他角度进行分类。从强化传热过程来分,可分为导热过程的强化、单相对流换热过程的强化、沸腾传热过程的强化、凝结传热过程的强化和辐射传热过程的强化;从提高强化传热系数的各种强化传热技术来分,则可以分为有功强化传热技术(亦称主动强化传热技术或有源强化传热技术)

和无功强化传热技术(亦称被动强化技术或无源强化技术)两类。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,包括机械强化法、振动强化法、静电场法和抽压法等;无功强化传热技术不需要运用外部能量即能达到强化传热的目的,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(添加剂法)等[8]。

二、翅片管式换热器研究进展

在换热器两侧流体的换热系数相差较大时,在换热系数较小的流体一侧加上翅片,可增大换热表面积并促进流体的扰动减小传热热阻,有效地增大传热系数,从而增加传热量,翅片管换热器就是基于这种考虑而产生的。翅片管式换热器是人们在改进管式换热器的过程中最早也是最成功的发现之一,直至目前,这种方法仍是所有各种管式换热器强化传热方法中应用最为广泛的一种,因此对翅片管换热器流动传热性能的研究也成为国内外众多学者所关注的热点。

1、国内研究进展

1994年,李安桂、吴业正[9]撰文,主要讨论了具有对流、辐射及导热同时存在的矩形直翅片换热问题的解析解法。文中给出了一种能够求解对流、辐射及导热同时存在时翅换热的线性化解析方法。利用该方法得到:综合换热作用下矩形直翅中温度分布的公式、翅体散热量计算式和综合换热作用下翅效率表达式。

同年,康海军等[10]采用实验方法研究了3种翅片间距和3种管排方式的9个平直翅片管换热器的换热和阻力性能。研究表明,翅片间距对换热的影响与Re 数有关,并且随翅片间距的增加,翅片管束的阻力减小,而管排数对阻力系数没有明显影响。在实验R。数范围内,相同翅片间距下,二排管的换热性能比三排管好一些,三排管与四排管的换热性能无明显变化。

文献[11]中,作者通过风洞试验研究了不同进风角度对钢制椭圆翅片管散热器传热及阻力特性的影响,结果表明,进风角的增加对传热系数的影响不显著,而且随着风速的提高,进风角度对传热系数的影响越来越小;但进风角度对气流阻力的影响很大,在风速相同的条件下进风角度越大,气流阻力越大;在进风角度相同的条件下,迎面风速越大,气流阻力越大。

浙江大学冯踏青等对针刺型三维螺旋翅片管建立了管外换热微分方程,得到了该管外侧翅片的一些结构参数的优化值,并通过管外强迫对流换热试验,归纳出一定排列方式下的换热和流阻的试验关联式,经与圆翅片管比较,结果表明该新型换热管为一种高效的换热管件[12]。

屠珊等[13]采用稳态的恒壁温法对3个椭圆翅片管空冷器和1个圆翅片管空冷器的传热和阻力特性进行了实验研究,得出了椭圆翅片管换热器比圆翅片管换热器的换热性能要好,且流动阻力也要比圆翅片管换热器要小。