換熱器文獻(xiàn)綜述

相變換熱器文獻(xiàn)綜述學(xué)院：材料與化學(xué)工程學(xué)院專業(yè)：過(guò)程裝備與控制工程班級(jí)：2011-01姓名：*學(xué)號(hào)：*相變儲(chǔ)熱換熱器文獻(xiàn)綜述*（鄭州*化工學(xué)院）摘要：本文通過(guò)對(duì)換熱器發(fā)展歷史的回顧，總結(jié)相變儲(chǔ)熱換熱器的理論技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其物性數(shù)據(jù)，相變儲(chǔ)熱材料等做了簡(jiǎn)要評(píng)述。1引言在工業(yè)生產(chǎn)中，為了實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞過(guò)程的一種設(shè)備，統(tǒng)稱為換熱器。它是化工、煉油、動(dòng)力、原子能和其他許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備。對(duì)于迅速發(fā)展的化工、煉油等工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，換熱器尤為重要。通常在化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投資的1020%。在石油煉廠中，換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的8540%。在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進(jìn)行著各種不同的換熱過(guò)程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝等。換熱器就是用來(lái)進(jìn)行這些熱傳遞過(guò)程的設(shè)備，通過(guò)這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。由于使用的條件不同，換熱設(shè)備又有各種各樣的形式和結(jié)構(gòu)。另外，在化工生產(chǎn)中，有時(shí)換熱器作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè)備，有時(shí)則把它作為某一個(gè)工藝設(shè)備中的組成部分。其他如回收排放出去的高溫氣體中的廢熱所用的廢熱鍋爐，有時(shí)在生產(chǎn)中也是不可缺少的。總之，換熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用是十分廣泛的，任何化工生產(chǎn)工藝幾乎都離不開(kāi)它。2換熱器發(fā)展歷史簡(jiǎn)要回顧二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國(guó)用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問(wèn)題，人們對(duì)新材料料制成的換熱器開(kāi)始注意。60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開(kāi)始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。節(jié)能和環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)今世界的兩大主題，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、人口不斷增長(zhǎng)、過(guò)度開(kāi)采和能源的利用率過(guò)低導(dǎo)致能源供需矛盾越來(lái)越大能源緊缺受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，能量存儲(chǔ)隨之引入了人們的生活。近年來(lái),相變儲(chǔ)換熱器在太陽(yáng)能利用、工業(yè)廢熱利用及暖通空調(diào)蓄冷和蓄熱等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。相變儲(chǔ)換熱器有多種形式如管簇式、球形堆積床式和平板式,一些研究者對(duì)其熱性能進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究。3實(shí)驗(yàn)研究的主要成果3.1相變儲(chǔ)能材料的導(dǎo)熱強(qiáng)化在潛熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)中，相變材料通過(guò)凝固和溶化有效地儲(chǔ)存和釋放大量能量。相變材料的優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)熱密度大，吸熱和放熱的過(guò)程幾乎可以在恒定的溫度下進(jìn)行。但是，一些相變材料（特別是石蠟、脂肪酸等有機(jī)相變材料）導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)往往是制約其實(shí)際應(yīng)用的重要因素。因此，如何提高相變材料的導(dǎo)熱性成為相變材料研究關(guān)注的焦點(diǎn)。同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的曾亮等人的研究顯示了以下幾種強(qiáng)化相變材料傳熱的方法：3.1.1與金屬?gòu)?fù)合提高相變儲(chǔ)能復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能金屬基主要包括鋁基(泡沫鋁)和鎳基等,相變儲(chǔ)能材料主要包括各類熔融鹽和堿等。金屬基復(fù)合蓄熱材料既能兼?zhèn)涔腆w顯熱蓄熱材料和潛熱蓄熱材料兩者的優(yōu)點(diǎn),又能克服潛熱材料在相變時(shí)液固界面處的傳熱效果差和顯熱儲(chǔ)能材料蓄熱量小及很難保持在一定溫度下進(jìn)行吸熱和放熱等缺點(diǎn),從而使之具備能快速放熱和快速蓄熱,蓄熱量大的特有性能。這些優(yōu)點(diǎn)使它可以用于貯存太陽(yáng)熱能和工業(yè)加熱爐的余熱回收等領(lǐng)域,因此有廣闊的應(yīng)用前景。3.1.2與陶瓷復(fù)合提高相變儲(chǔ)能復(fù)合材料導(dǎo)熱性能陶瓷基相變儲(chǔ)能復(fù)合材料主要是將相變材料分布于陶瓷基體的超微多孔網(wǎng)絡(luò)中,相變材料受熱熔化時(shí)吸收潛熱,而液態(tài)相變材料受陶瓷基體毛細(xì)張力的作用不會(huì)流出,從而使相變前后維持復(fù)合材料原來(lái)的形狀。陶瓷基相變復(fù)合材料是20世紀(jì)80年代提出的,主要優(yōu)點(diǎn)有:可供選擇的無(wú)機(jī)鹽種類多;可同時(shí)利用顯熱和潛熱,蓄熱密度大;無(wú)需封裝,不存在腐蝕問(wèn)題;不存在過(guò)冷和相分離的問(wèn)題1。3.1.3利用組合相變材料儲(chǔ)熱系統(tǒng)強(qiáng)化導(dǎo)熱利用組合相變材料儲(chǔ)熱系統(tǒng)也是導(dǎo)熱強(qiáng)化的有效手段。浙江大學(xué)能源工程系王劍鋒等人的研究顯示，在同一儲(chǔ)熱系統(tǒng)中采用相變溫度不同的相變材料合理組合,可以顯著提高系統(tǒng)效率,而且能夠維持相變過(guò)程相變速率的均勻性。這一特性對(duì)于儲(chǔ)熱或放熱時(shí)間有嚴(yán)格限制的儲(chǔ)熱系統(tǒng)具有重要意義,且適用于工作溫度從幾十度到近千度范圍的相變材料已有數(shù)千種,這為組合相變材料儲(chǔ)熱的研究奠定了應(yīng)用基礎(chǔ)。在組合式相變材料儲(chǔ)熱系統(tǒng)研究中,相變材料的組合方式主要有兩種:一種方式是沿傳熱流體流動(dòng)方向分別放置相變溫度不同的兩種或兩種以上的相變材料儲(chǔ)熱單元;另一種方式是在同一儲(chǔ)熱單元內(nèi)或沿垂直于傳熱流體流動(dòng)方向通過(guò)合理組合放置相變溫度不同的兩種或兩種以上的相變材料。還有一種可能的組合方式是這兩種方式的組合。在高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)中,特別是儲(chǔ)熱系統(tǒng)工作溫區(qū)較大的高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng),組合相變材料儲(chǔ)熱系統(tǒng)將體現(xiàn)其獨(dú)特的應(yīng)用特色。無(wú)論是哪一種組合方式的研究和應(yīng)用,都必須獲得給定傳熱流體工作條件下相變材料的最佳組合方案;或者在給定相變材料組合方案前提下獲得傳熱流體的最佳匹配2。3.2相變儲(chǔ)熱換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文要討論的相變儲(chǔ)熱換熱器屬間壁式換熱器，而間壁式換熱器按結(jié)構(gòu)分為以下幾種：1.夾套式換熱器；2.沉侵式蛇管換熱器；3.噴淋式換熱器；4.套管式換熱器；5.螺旋板式換熱器；6.板式換熱器；7.板翅式換熱器；8.熱管式換熱器；9.列管式換熱器3?；どa(chǎn)中使用得比較多的有板式、板翅式、管殼式（列管式）以及熱管式換熱器。3.2.1平板式相變儲(chǔ)換熱器平板式相變儲(chǔ)換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,相變?nèi)萜鲀?nèi)部可布置傳熱管道,可實(shí)現(xiàn)同時(shí)充放冷。清華大學(xué)張寅平等人建立了分析板式相變儲(chǔ)換熱器儲(chǔ)換熱性能的理論模型,采用溫度和相變界面交替迭代法進(jìn)行求解。為描述此類問(wèn)題的本質(zhì),引入量綱一參數(shù),得到了相應(yīng)的量綱一儲(chǔ)換熱準(zhǔn)則公式,并討論了加肋片后的強(qiáng)化換熱效果4。3.2.2管殼式相變儲(chǔ)換熱器管殼式換熱器的應(yīng)用已有很悠久的歷史?，F(xiàn)在，它被當(dāng)作一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在許多工業(yè)部門中大量使用，尤其是在化工、石油、能源等行業(yè)中使用更為廣泛。一般來(lái)說(shuō)，管殼式換熱器制造容易，生產(chǎn)成本低，選材范圍廣，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理量大，工作可靠，且能適應(yīng)高溫高壓。雖然它在結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱強(qiáng)度和單位金屬消耗量方便無(wú)法與板式或板翅式換熱器相比，但它由于具有前述的一些優(yōu)點(diǎn)，因而在化工石油、能源等行業(yè)的應(yīng)用中仍處于主導(dǎo)地位。在換熱器向高溫、高壓、大型化發(fā)展的今天，隨著新型高效傳熱管的不斷出現(xiàn)，使得管殼式換熱器的應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大，更增添了管殼式換熱器的新生命力5。3.2.3熱管相變蓄熱換熱器為解決工業(yè)余熱回收中供、需雙方在時(shí)間、地點(diǎn)、強(qiáng)度等方面的不匹配現(xiàn)象，上海海事大學(xué)蓄冷技術(shù)研究所的章學(xué)來(lái)等人將熱管應(yīng)用于相變蓄熱領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)了熱管式相變蓄熱換熱裝置。將實(shí)驗(yàn)所得的相變材料運(yùn)用其中，利用鍋爐排放的煙氣作為熱源，采用熱管作為加熱元件，并在煙氣段添加環(huán)形翅片，加熱冷水，使其成為多功能的節(jié)能型熱管式相變蓄熱換熱器。裝置不僅有儲(chǔ)熱、釋熱的一般功能，而且還具備取放熱同時(shí)進(jìn)行的功能，在此功能下，熱源的熱量可以瞬時(shí)、有效的傳遞給進(jìn)行取熱的流體。而被相變材料所吸收的熱量?jī)H占很少的部分。通過(guò)一定工況下的計(jì)算表明，約70%的熱量可被傳遞給取熱流體。工作原理:換熱器大致分3層，第一層冷流體通道，中間為蓄熱體空間，第三層為熱流體通道，三層互相獨(dú)立，互不相通。在熱流體通道內(nèi)有帶翅片換熱元件的熱管，上面兩層均為光管，自上而下貫穿3個(gè)空間，傳遞熱量。通過(guò)時(shí)間溫度控制器控制煙氣熱量通過(guò)加熱翅片管加熱相變材料。相變材料發(fā)生相變，儲(chǔ)存顯熱與潛熱，通過(guò)均布的熱管傳遞到水中，將水加熱，相變材料也逐漸發(fā)生晶格變化-凝固，釋放所存潛熱后其溫度開(kāi)始下降6。3.3有限元仿真分析在換熱器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院朱志彬等人應(yīng)用ANSYS軟件分別對(duì)厚壁圓筒受壓情況、換熱器換熱過(guò)程進(jìn)行計(jì)算模擬,并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較討論。分析結(jié)果表明,ANSYS具有很高的計(jì)算精度和強(qiáng)大的分析功能,可作為化工機(jī)械設(shè)計(jì)輔助分析的強(qiáng)有力工具,反映了該軟件在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用前景。ANSYS程序中的FLOTRANCFD分析功能是一個(gè)用于分析二維及三維流體流動(dòng)場(chǎng)的先進(jìn)的工具,使用ANSYS中用于FLOTRANCFD分析的FLUID141和FLUID142單元,可對(duì)含有多種流體的(由固體隔開(kāi))熱交換器進(jìn)行研究。ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析,分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過(guò)每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的形顯示。另外,還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱-流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)7。鄭州大學(xué)郭茶秀等人利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT凝固/熔化模型對(duì)一種相變材料蓄冷球的凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究,得到了在第一類邊界條件下蓄冷球凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)分布、相界面移動(dòng)規(guī)律,并分析了凝固時(shí)間與壁面溫度和球徑的關(guān)系。所得到的結(jié)論對(duì)相變問(wèn)題的數(shù)值模擬以及相變蓄能裝置的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。他們的研究表明FLUENT在分析相變傳熱問(wèn)題中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):它界面友好,操作方便,計(jì)算簡(jiǎn)單快捷，具有強(qiáng)大的前后處理功能,是進(jìn)行相變數(shù)值計(jì)算的強(qiáng)有力工具8。4小結(jié)隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,人們?cè)絹?lái)越多地關(guān)注與可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)的能源和環(huán)境問(wèn)題。潛熱式能量存貯是一種高效的貯能方式,與顯熱式能量存貯相比,具有能量密度高和充/釋熱溫度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),相關(guān)的應(yīng)用研究已得到廣泛的關(guān)注。近代換熱器制造加工技術(shù)日趨成熟，將新型相變儲(chǔ)熱材料與傳統(tǒng)換熱器相結(jié)合，制造新型相變儲(chǔ)熱換熱設(shè)備具有較大發(fā)展空間。與傳統(tǒng)換熱器比，由于要在換熱器中添加相變儲(chǔ)熱材料，而大多數(shù)的相變儲(chǔ)熱材料的傳熱系數(shù)低，成為換熱器強(qiáng)化傳熱的“瓶頸”。結(jié)合本專業(yè)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，主要從改良結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，來(lái)提高相變儲(chǔ)熱材料傳熱系數(shù)，降低熱阻，從而達(dá)到能量利用率的最優(yōu)化的目的。隨著電腦技術(shù)的發(fā)展，有限元仿真技術(shù)得以更加方便的使用，結(jié)合有限元分析設(shè)計(jì)，可以大大降低相變儲(chǔ)熱換熱器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)成本，加快設(shè)計(jì)速度，為產(chǎn)品早日投入市場(chǎng)創(chuàng)造了條件。由于是要投入工程實(shí)際中的產(chǎn)品，故還應(yīng)考慮其生產(chǎn)成本的經(jīng)濟(jì)性，利用最優(yōu)化設(shè)計(jì)原理對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化處理。參考文獻(xiàn)1曾亮，周春玉，張東，相變材料導(dǎo)熱性能強(qiáng)化的研究進(jìn)展，材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，上海，2010。2王劍鋒，陳光明，陳國(guó)邦，歐陽(yáng)應(yīng)秀，組合相變材料儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱速率研究，