换热器强化传热技术

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换热器是石油、化工、动力、能源、冶金、航空、车辆、制冷、食品、环保以及其他许多工业部门广泛使用的通用工艺设备,是保证加工过程正常顺利运转不可缺少的关键部件,在材质消耗、动力消耗及工程投资方面占有很重要的份额。

目前,能源危机越来越严重,以能源为中心的社会、经济、环境等问题日益突出,节能和能源的合理有效利用显得尤为重要。在工业生产中占有重要地位的换热器作为能量传递的基础设备,其传热性能的好坏对节能有着极其重要意义。强化传热是提高换热器综合效率、降低其寿命周期费用的有效措施。

20世纪70年代初发生的世界性能源危机,有力地促进了传热强化技术的迅猛发展。要节能降耗,提高工业生产的经济效益,必须研究各种传热过程的强化问题,开发适用不同过程工业要求的强化传热结构及高效换热设备,这不仅是现代工业发展过程中必须解决的课题,同时也是开发新能源和开展节能工作的迫切任务。

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内,单位传热面积上传递最多的热量。强化传热研究的主要目的是提高热量传递过程的速率,力图达到以最经济的设备(重量小、体积小、成本低)来完成规定传递的热量或在设备规模相同的情况下能更快更多地传递热量,用最高的热效率来实现能源的合理利用。

1·强化传热技术及其应用
      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[1]。
      1. 1　被动式强化传热技术
      1.1. 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。
      1.1. 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]。
      1.1. 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。
      1.1. 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。
      1.1. 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。
      1.1. 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。
      1.1. 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。
      1. 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)。
      1.1. 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[3]。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[4]、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GRIM-MA公司制造的纵流管束换热器[2]等。
      1. 2　主动式强化传热技术
      1.2. 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[2, 4, 5]。
     1. 2. 2　表面振动　
      无论是高频率还是低频率振动,都主要用于增强单相流体传热。其机理是振动增强了流体的扰动,从而使传热得以强化。虽然振动本身对强化传热有不小的贡献,但激发振动所需从外界输入的能量可能会得不偿失。为此,山东大学研究表明,可利用流体诱导振动来强化传热,依靠水流本身激发传热元件振动,会消耗很少的能量。利用流体诱导振动强化传热既能提高对流传热系数,同时又能降低污垢热阻,即实现了所谓的复合式强化传热[2]。
      1.2. 3　流体振动　
      由于换热设备一般质量很大,表面振动这种方法难以应用,然后就出现了流体振动,该方法是振动强化中最实用的一种类型。所使用的振荡发生器从扰流器到压电转换器,振动范围大约从脉动的1Hz到超声波的106Hz。主要用于单相流体的强化传热。
      1. 2. 4　静电场　
      可以通过很多不同的方法将静电场作用于介电流体。总体来说,静电场可以使传热表面附近的流体产生较大的主体混合,从而使传热强化。静电场还可以和磁场联合使用来形成强制对流或电磁泵。静止流体中加足够强度静电场所形成的电晕风能在一定条件下强化单相流体的传热。如日本Mizushina以空气为工质研究环形通道内电晕风对强制对流的影响,分别得到了存在电晕风时的努塞尔准数及阻力系数与雷诺数的关系曲线及经验公式[2, 5]。
      1. 2. 5　喷射　
      包括通过多孔的传热表面向流动液体中喷射气体,或向上游传热部分喷注类似的流体。
      1. 2. 6　抽吸　
      包括在核态沸腾或膜态沸腾中通过多孔的受热表面移走蒸汽和在单相流中通过受热表面排出液体。有研究预测,抽吸能大大提高层流流动和湍流流动的换热系数,其中能大大增强湍流对流换热已被Aggarwal等[6]人证实。
     两个或两个以上这些传热强化技术可以复合使用,从而达到比仅仅使用一种技术更好的强化传热效果,这种复合使用被称为复合式强化传热技术。如在内翅管或粗糙管中插入纽带插入物,带有声波振动的粗糙柱面,在流化床中使用翅片管,带有振动的外翅管,加有电场的气固悬浮液以及有空气脉动的流化床等。
      但须注意的是,并不是每两个或多个单个强化技术任意复合都能产生比单个强化技术更好的传热强化效果,比如有研究表明,带有内翅的螺旋盘管的平均努塞尔准数要低于普通的螺旋盘管。必须经过实践检验才能确认其对传热强化的有效性,获得最佳的强化传热效果。
      2·结束语
      由于换热设备在工业生产中的重要性和使用的广泛性以及能源短缺造成的节能的重要性和迫切性,使得强化传热技术及各种异形强化传热结构的研究开发尤为重要,各种各样的强化传热措施竞相发展起来。但是,不同场合对于传热强化的具体要求不同,如提高换热器的换热能力,减小换热器动力消耗,减小换热器的换热温差,减小换热设备的重量及材质消耗等,面对多种强化传热技术,应根据所要达到的目标和完成的任务并综合分析考虑设备的换热过程和经济、环境等实际因素,选择一种合适且行之有效的强化传热方法。
      另外,除了对传统的管壳式换热器进行各种强化措施来提高换热能力外,还有另一种意义上的强化,即开发新型高效换热器。目前,已经出现了不少这样的换热器,如板式换热器、板翅式换热器、热管换热器、不结垢换热器、石墨换热器、碳化硅换热器、块式换热器、变形翅片管换热器、麻花扁管换热器和PACKINOX板壳式换热器等。