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1、1高效换热技术高效换热技术华南理工大学华南理工大学化工机械与化工机械与安安安安全工程研究所全工程研究所江江 楠楠TEL:87110415/13622282789TEL:87110415/136222827892主 要 内 容主 要 内 容1 概述概述2 管壳式换热器管壳式换热器3 传热强化技术传热强化技术3.1 3.1 传热强化概述传热强化概述传热强化概述传热强化概述3.2 3.2 扩展表面及内插件强化传热扩展表面及内插件强化传热扩展表面及内插件强化传热扩展表面及内插件强化传热3.3 3.3 壳程强化传热壳程强化传热壳程强化传热壳程强化传热33.1 3.1 传热强化概述传热强化概述传热强化概述
2、传热强化概述换热设备稳定传热时的传热方程式：换热设备稳定传热时的传热方程式：mtKFQ=K传热系数，传热系数，w/m2；F换热面积，换热面积，m2；热流体与冷流体的平均传热温差，热流体与冷流体的平均传热温差，表征传热过程表征传热过程强弱程度强弱程度传热强化渠道传热强化渠道增加平均传热温差增加平均传热温差增加平均传热温差增加平均传热温差扩大换热面积扩大换热面积扩大换热面积扩大换热面积提高传热系数提高传热系数提高传热系数提高传热系数mt43.1 传热强化概述传热强化概述增大平均传热温差增大平均传热温差平均传热温差是传热过程的推动力，由冷、热流体最大平均传热温差是传热过程的推动力，由冷、热流体最大无
3、相变温差决定，但一般生产工艺中已经确定。无相变温差决定，但一般生产工艺中已经确定。1. 当冷流体和热流体进出口温度一定时，利用不同的换热当冷流体和热流体进出口温度一定时，利用不同的换热面布置面布置来改来改变平均传热温差；变平均传热温差；逆逆流；流；多股多股流动换热。流动换热。2. 扩大冷、热流体进出口温度的差扩大冷、热流体进出口温度的差别以别以增大平均传热温差。增大平均传热温差。此法受此法受生产工艺生产工艺限制限制，不，不能随意能随意变动，变动，只能在有限范围只能在有限范围内内采采用。用。mt53.1 传热强化概述传热强化概述增大换热面积增大换热面积1. 采采用用小直径小直径换热管；换热管；在
4、在同同样金属重量下总样金属重量下总表面积增大表面积增大2. 改改进传热面进传热面结构结构，设，设法法提高提高单位单位容积内设备的传热面积，容积内设备的传热面积，即即扩展表面换热面，扩展表面换热面，既既增加换热面积，增加换热面积，又又提高传热系数。提高传热系数。问题问题：流动：流动阻阻力增大力增大63.1 传热强化概述传热强化概述提高传热系数提高传热系数1. 主动强化主动强化需需要要采采用用外外加的动力加的动力（如机械（如机械力、力、电磁电磁力力等）等）来来增强传热的技术。增强传热的技术。如如：搅拌搅拌换热换热介质介质、使使换热表面换热表面或或流体流体振振动、动、将电磁场作将电磁场作用用于于流体
5、流体以促使以促使换热表面换热表面附近附近流体的流体的混合等混合等技术技术2. 被被动强化动强化指除了输送指除了输送传热传热介质介质的的功率消耗外功率消耗外不不需需要要附附加动力加动力来来增强传热的技术。增强传热的技术。主要主要包括包括：涂层涂层表面、表面、粗糙粗糙表面、扩展表面、表面、扩展表面、扰扰动动元元件、件、涡涡流流发发生器、生器、射射流流冲击冲击、螺旋螺旋管管以以及及添添加加物等手段物等手段。当前研究传热强化的重点当前研究传热强化的重点提高传热系数的方提高传热系数的方法法主动强化主动强化（有（有源源强化强化）被被动强化动强化（无无源源强化强化）7在在管壳式换热器中，管壳式换热器中，采采
6、用最用最多多的的被被动强化传热方动强化传热方法法是扩是扩展表面及管内展表面及管内放放置强化传热置强化传热元元件，件，它它既能既能提高传热系数，提高传热系数，又又能能增加传热面积。增加传热面积。2211111+=RRK式中：式中：K总总传热系数；传热系数；1、2传热面传热面两侧两侧的的对对流流给给热系数；热系数；R1、R2两侧污垢两侧污垢热热阻阻；管管壁壁的的厚厚度；度；管管材材的热的热导导率率。83.2 扩展表面及内插件强化传热扩展表面及内插件强化传热扩展表面及管内扩展表面及管内放放置强化传热置强化传热元元件：件：既能既能增加传热面积，增加传热面积，又能又能提高传热系数提高传热系数扩展表面强化
7、传热主要扩展表面强化传热主要包括包括槽槽管管翅片翅片管管（1）扩展表面强化传热）扩展表面强化传热93.2 扩展表面及内插件强化传热扩展表面及内插件强化传热（2）槽管）槽管提高传热系数提高传热系数壁壁面面扰扰流流结构结构的换热管的换热管在在圆圆管及管及圆形通圆形通道内道内形成形成扰扰流流结构结构改改变变了了流体的流动流体的流动结构结构，增加，增加近近壁区壁区的的湍湍流度流度提高流体和提高流体和壁壁面的面的对对流传热流传热膜膜系数系数10螺旋螺旋槽槽管管横纹槽横纹槽管管图图31 槽槽管管结构结构a.碾轧槽碾轧槽管管特特别别适适用用于于换热器中用换热器中用于于强化管内强化管内单单相流体的相流体的传热
8、传热以以及增强管及增强管外外流体流体蒸汽蒸汽冷冷凝凝和和液液体体膜态沸腾膜态沸腾传热的传热的作作用用3.2 扩展表面及内插件强化传热扩展表面及内插件强化传热b.螺旋螺旋槽槽管管c.横纹槽横纹槽管管11螺旋槽管螺旋槽管螺旋螺旋槽槽管管横纹槽管缩放管123.2 扩展表面及内插件强化传热扩展表面及内插件强化传热（3）翅片）翅片提高传热面积、提高传热系数提高传热面积、提高传热系数a. 内内翅片圆翅片圆管管b. 外外翅片圆翅片圆管管c. 板板式式翅片翅片d. 槽带板槽带板式式翅片翅片e. 穿孔翅片穿孔翅片翅片翅片不不适适合合用用于于高表面高表面张张力的力的液液体冷体冷凝凝和和会会产生产生严严重重结结垢垢
9、的的场合场合，尤其尤其不不适适用用于需于需要要机械机械清洗清洗、携带携带大大量量颗粒颗粒流体的流动流体的流动场合场合。133.2 扩展表面及内插件强化传热扩展表面及内插件强化传热外外翅片圆翅片圆管管影响翅影响翅化表面传热的主要化表面传热的主要因素因素是是翅片翅片高度、高度、翅片厚翅片厚度、度、翅片间距翅片间距以以及及翅片材料翅片材料的的导导热系数热系数图图32 外外翅片圆翅片圆管管扇形翅片圆形翅片锯齿翅片螺旋翅片螺旋螺旋翅片翅片圆形翅片圆形翅片锯齿翅片锯齿翅片扇形翅片扇形翅片14锯齿形肋片锯齿形肋片管管示示意意图图153.2 扩展表面及内插件强化传热扩展表面及内插件强化传热板板式式翅片翅片板板
10、式式翅片上各局部翅片上各局部位位置的换热强弱置的换热强弱存存在在着很着很大大差差异异，板板式式翅片翅片传热传热受受到雷诺到雷诺数、管数、管排排数、数、翅翅片间距片间距和管和管间距间距的的影响影响。图图33 板板式式翅片翅片结构结构163.2 扩展表面及内插件强化传热扩展表面及内插件强化传热槽带板式翅片槽带板式翅片槽带板槽带板式式翅片翅片已已广广泛应泛应用用在在空调空调工工业业,以以及及干干式冷式冷却塔却塔的的空气空气冷冷却却器中。器中。图图34 槽带板槽带板式式翅片翅片173.2 扩展表面及内插件强化传热扩展表面及内插件强化传热穿孔翅片穿孔翅片增加增加对对流传热流传热膜膜系数系数而而流动流动阻
11、阻力增加不大。力增加不大。图图35 穿孔翅片穿孔翅片结构结构换热管穿孔翅穿孔翅穿孔翅换热管换热管183.2 扩展表面及内插件强化传热扩展表面及内插件强化传热（4）其他形状换热管）其他形状换热管缩放缩放管管螺螺纹纹管管波纹波纹管管19几种几种表面表面粗糙粗糙换热管换热管 （a） （b） （c） （a）缩放缩放管；管；（b）螺）螺纹纹管；管；（c）波形波形管管20（5）内插件强化传热内插件强化传热在在换热管内加换热管内加入某种形入某种形式的内插强化式的内插强化元元件是管式换热器强化管程件是管式换热器强化管程单单相相流体传热的流体传热的有有效效措施之措施之一，一，尤其尤其是强化是强化气气体、体、低低
12、雷诺雷诺数数或或高高黏黏度流体度流体传热传热更为更为有有效。效。不不改改变传热面变传热面形形状状，通通过过改改变换热管内流体流动变换热管内流体流动来来强化传热，提高传强化传热，提高传热效热效率率，简便简便有有效，效，也也有有利利于于传热面积的扩大，传热面积的扩大，且易且易于于对对旧旧设备进设备进行行改改造造，应应用用广泛广泛。目前目前管内插管内插入入物物种种类较类较多多，主要是利用，主要是利用各种各种金属金属的的条条、带带、片片和和丝丝等等绕绕制或制或扭曲扭曲成成螺旋螺旋形形（如螺旋（如螺旋线线、扭扭带带、错开扭错开扭带带、螺旋螺旋片片和和静静态态混混合合器器等）等），或冲或冲成带成带有有缺缺
13、口的插口的插入带入带。各种各种插插入入物物强化传热的强化传热的机机理理是，利用插是，利用插入入物使物使流体产生流体产生径径向向流动，流动，从从而而加强流体的加强流体的混合混合，获得较获得较高的高的对对流传热系数。流传热系数。在在设设计计过程中过程中应应考虑考虑加加入入内插件内插件后后的的压降压降增大增大影响影响。21插有螺旋线圈的管子插有静态混合器的管子22相变对流放热强化相变对流放热强化相变相变对对流流放放热强化热强化可分为可分为可分为可分为沸腾放热沸腾放热沸腾放沸腾放热热强强强强化和化和化和化和冷凝放热冷凝放热冷冷凝放凝放热热强化强化强化强化多孔表面管是强化沸腾放热的换热元件之一，也是近代
14、强化传热技术中取得的较大成果。它是在金属管壁表面（内表面或外表面）用各种表面特殊处理法，在表面形成一层多孔金属薄层，能显著强化沸腾放热。试验表明，多孔表面一般可提高沸腾放热系数520倍，有的甚至可提高50倍左右。23多孔表面主要有烧结法、喷涂法、机械加工法多孔表面主要有烧结法、喷涂法、机械加工法多多孔孔表面主要表面主要有有烧烧结法结法、喷喷涂法涂法、机械机械加工加工法法和电镀法四种制造工艺。和电镀法四种制造工艺。和和电电镀镀法法四四种种制制造造工艺。工艺。多多孔孔表面表面能能显著显著强化强化沸腾放沸腾放热，主要热，主要原原因因是是在多在多孔孔表面表面层有层有大大量量相相互串互串通通的的微微小小
15、空空穴穴，提，提供供了了众众多多的的汽汽化化核心核心。进。进入空入空穴穴的的液液体体在在很很小小的过热度的过热度下下，产生大，产生大量量蒸汽蒸汽泡泡。气气泡迅速长泡迅速长大，大，穿穿透透表面，最表面，最后破裂后破裂。泡核滞留泡核滞留在在空空穴穴中，中，成成为为下下一一个个气气泡核心泡核心。液液体体借助借助于于表面表面张张力力作作用，不用，不断断进进入空入空穴补充穴补充汽汽化的化的液液体，体，并并在在空空穴穴中中受受热热蒸蒸发发，这这样样蒸汽蒸汽泡泡的的膨膨胀胀收收缩缩，起起了了泵泵的的持续循环持续循环作作用，用，对沸腾放对沸腾放热热起起来来强强烈烈扰扰动动作作用，用，构构成成多多孔孔表面强化表
16、面强化沸腾放沸腾放热热的的全全过程。过程。多孔表面层沸腾过程示意图243.3 壳程强化传热壳程强化传热目前目前，换热设备，换热设备壳程壳程强化传热的强化传热的途途径径主要主要有有：改改变管变管子子外外形形或在或在管管外外加加翅片翅片，即即通通过管过管子子形形状状或或表面表面性性质质的的改改变变来来达达到到强化传热强化传热目目的，的，如采如采用用螺螺纹纹管、管、外外翅片翅片管管等等；改改变壳程变壳程挡挡板板或或管管束支承束支承结构结构，使使壳程流体流动壳程流体流动形态形态发发生生变化，变化，以以减少减少或消除或消除壳程流动与传热的壳程流动与传热的滞留滞留死死区区，使使换热面积换热面积得得到到充分
17、充分利用。利用。25263.3 壳程强化传热壳程强化传热（1）改变壳程挡板结构）改变壳程挡板结构传统的单弓形折流板支承局限传统的单弓形折流板支承局限壳程流体壳程流体易易产生流动产生流动死死区区，换热面积无，换热面积无法法充分充分利用，利用，因而因而壳程壳程传热系数传热系数低低、易易结结垢垢、流体、流体阻阻力大。力大。且且当流体当流体横横向向流过管流过管束束时，时，还还可可能能引引起起管管束束流体流体诱诱导导振振动。动。新型新型多多弓弓形形折折流流板板、整整圆形板圆形板、异形孔板异形孔板、网网状状整整圆形板圆形板等等。它它们们的的特特点点是是尽尽可可能将能将原原折折流流板板的流体的流体横横向向流
18、动变流动变为为平平行行于于换热管换热管的的纵纵向向流动，流动，以消除以消除壳程流体流动与传热的壳程流体流动与传热的死死区区，达达到到强化传强化传热的热的目目的。的。273.3 壳程强化传热壳程强化传热图图37 网网状状整整圆形圆形折折流流板板283.3 壳程强化传热壳程强化传热（2）改变管束支承结构）改变管束支承结构将将管壳式换热器中的管壳式换热器中的折折流流板板改改成成杆杆式式支承支承结构结构，具具有有许许多多优点优点（2） 由由于于壳程壳程介质介质为为轴轴向向流动，流动，没没有有弓弓形形折折流流板板那么那么多多转转向向和和缺缺口口处处的的节节流效流效应应，因而因而流动流动阻阻力力比比较较小
19、小，一般，一般为为传传统弓统弓形形折折流流板板的的50%以下以下，达达到到了了节节能能的效的效果果。（1） 使） 使换热器壳程流体的流动方换热器壳程流体的流动方向向主要主要呈轴呈轴向向流动，流动，消除了消除了弓弓形形折折流流板板造造成成的传热的传热死死区区。a.杆式支承结构杆式支承结构293.3 壳程强化传热壳程强化传热（4） 消除了） 消除了弓弓形形折折流流板板造造成成的的局部局部腐蚀腐蚀和和磨损磨损（或（或切割切割）破破坏坏，改改善善了了换热管的换热管的支支撑情况撑情况和和介质介质的流动的流动状状态态，消除或消除或减少减少了了因因换热管的换热管的振振动动而而引引起起管管子子的的破破坏坏，延
20、延长长了了换热器的换热器的使使用用寿命寿命。（3） 结） 结垢垢速速率率变变慢慢，延延长长了了操操作作周期周期。30123折折流流杆杆结构结构（1）支支撑杆撑杆（2）折折流流杆杆（3）滑轨滑轨折折流流杆杆换热器换热器折折流流杆杆换热器换热器313.3 壳程强化传热壳程强化传热由由于于折折流流杆杆换热器壳程流体换热器壳程流体为为纵纵向向流动，流动，因因此此折折流流杆杆换热器换热器适适合在合在高高雷诺雷诺数数（或（或高流高流速速）下）下运运行行；在在中中低低雷诺雷诺数数下下运运行行强化传热效强化传热效果果不不显著显著，或或者者无无效，效，甚至比折甚至比折流流板板换热器换热器更更差，差，此此时时可可
21、进一进一步步改改进进换热器换热器结构结构，例例如采如采用用多多壳程的壳程的折折流流杆杆换热器。换热器。323.3 壳程强化传热壳程强化传热b.自支承结构自支承结构自自支支撑撑结构结构通通过过采采用用自自支承支承管，管，如如刺刺孔孔膜片膜片管、管、螺旋螺旋扁扁管和变管和变截截面管面管来来简简化管化管束束约约束束，提高，提高换热器的换热器的紧凑紧凑度。度。图图38 自自支承支承管及管及其其自自支承支承结构结构333.3 壳程强化传热壳程强化传热c.螺旋折流式支承结构螺旋折流式支承结构螺旋螺旋折折流流板板是是圆圆截截面的面的折折流流板板互互相相形成形成一一种特种特殊殊的的螺旋螺旋形形结构结构，每每个
22、个折折流流板板与壳程与壳程流体的流动方流体的流动方向向成成一定一定角角度，度，使使得得壳程流体壳程流体沿沿着着折折流流板板做做螺旋螺旋运运动。动。图图39 螺旋螺旋折折流式流式支承支承34螺旋螺旋折折流流板板换热器换热器结构结构示示意意图图35螺旋螺旋折折流流板板换热器管换热器管束束36 各种工作对于强化传热的要求和目的是不一样各种工作对于强化传热的要求和目的是不一样的，可归纳为以下几个方面：的，可归纳为以下几个方面： 提高换热器紧凑性，以减小换热器的尺寸和重量。提高换热器紧凑性，以减小换热器的尺寸和重量。 提高原有设备的换热能力。提高原有设备的换热能力。 减小换热器的换热温差。减小换热器的换
23、热温差。 减小换热器的阻力，以减少动力消耗。减小换热器的阻力，以减少动力消耗。 上述目的和要求往往是相互制约的，要同时达到上述目的和要求往往是相互制约的，要同时达到这些目的是不可能的。因此，只有通过选择比这些目的是不可能的。因此，只有通过选择比较，才能确定一种适用的强化传热技术。较，才能确定一种适用的强化传热技术。37热热热热 管管管管 热管是一个由沸腾过程和冷凝过程有热管是一个由沸腾过程和冷凝过程有机地组合在一起的高效传热系统，具机地组合在一起的高效传热系统，具有极高传热能力，其本身是一种高效有极高传热能力，其本身是一种高效强化传热措施。左图为重力热管的原强化传热措施。左图为重力热管的原理示意图。向管内加入少量工作液理示意图。向管内加入少量工作液体，抽真空密封。将管子垂直放置，体，抽真空密封。将管子垂直放置，加热管子下端使液体汽化，蒸汽上加热管子下端使液体汽化，蒸汽上升，在上方冷端向外界放出汽化潜热升，在上方冷端向外界放出汽化潜热并凝结，凝液在重力作用下回到管子并凝结，凝液在重力作用下回到管子下发。由于工作液体汽化潜热较大，下发。由于工作液体汽化潜热较大，所以在极小温差下，就能将大量热量所以在极小温差下，就能将大量热量由管子热端传至冷端，如此往复，可由管子热端传至冷端，如此往复，可进行高效热量传递。进行高效热量传递。重力热管工作原理图383940
