換熱器復(fù)習(xí) (自動(dòng)保存的)講解

1、定義：將某種流體的熱量以一定傳熱方式傳遞給其他流體的設(shè)備，稱為熱交換器。最常見的換熱器：管殼式換熱器。 熱交換器的基本要求： 1）滿足工藝過程所提出的要求，熱交換強(qiáng)度高，熱損失少，在有利的平均溫差下工作。 2）具有與溫度和壓力條件相適應(yīng)的工藝結(jié)構(gòu)，制造簡(jiǎn)單，裝修方便，運(yùn)行可靠。 3）設(shè)備緊湊。 4）流體流動(dòng)阻力小換熱器研究及發(fā)展動(dòng)向物性模擬研究：分析設(shè)計(jì)研究大型化及能耗研究強(qiáng)化技術(shù)研究新材料研究控制結(jié)垢及腐蝕研究0.2 熱交換器的分類1. 按流動(dòng)方式分：1）逆流；2）順流（并流）；3）錯(cuò)流；4）混流。2. 按傳熱種類分：1）無相變傳熱；2）有相變傳熱。3. 按原理分類：1）間壁式；2）混合式；

2、3）蓄熱式。4. 按流體介質(zhì)分：1）氣氣；2）氣液；3）液液應(yīng)用：鍋爐設(shè)備、電廠系統(tǒng)、石油加工裝置、化工裝備、制冷裝備、空調(diào)裝備、內(nèi)燃機(jī)散熱裝置等等c錯(cuò)流 d總趨勢(shì)為逆流的4次錯(cuò)流先順后逆的平衡混流 g先逆后順的串聯(lián)混流0.3 熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算的內(nèi)容1）熱計(jì)算：根據(jù)已知條件，求出熱交換器的傳熱系數(shù)（K），進(jìn)而確定傳熱面積值。2）結(jié)構(gòu)計(jì)算：根據(jù)傳熱面積大小，計(jì)算確定熱交換器主要部件和構(gòu)件的尺寸、數(shù)目和布置。3）流動(dòng)阻力計(jì)算：為選擇泵或風(fēng)機(jī)的功率大小提供依據(jù)，并核算其是否處于允許范圍之內(nèi)。4）強(qiáng)度計(jì)算：計(jì)算各部件尤其是受壓部件的應(yīng)力大小，核算其是否處于允許范圍之內(nèi)。空氣冷卻凝結(jié)器：直接干冷方式：管

3、內(nèi)為水蒸汽，管外為空氣。間接干冷方式海勒系統(tǒng)（ Heller ）：采用噴射式（混合）凝汽器；管內(nèi)為熱水，管外為空氣。螺旋板式熱交換器螺旋板式熱交換器是一種由螺旋形傳熱板片構(gòu)成的熱交換器。它的構(gòu)造包括螺旋形傳熱板、隔板、頭蓋、連接管等基本部件，其具體結(jié)構(gòu)將因型式不同而異。各種型式的螺旋板式熱交換器均包含由兩張厚約2-6mm的鋼板卷制而成的一對(duì)同心圓的螺旋形流道，中心處的隔板將板片兩側(cè)流體隔開，冷、熱兩流體在板兩側(cè)的流道內(nèi)流動(dòng)，通過螺旋板進(jìn)行熱交換。I型：兩流體均勻螺旋流動(dòng)。通常是冷流體由外周邊流向中心排出，熱流體由中心流向外周排出，實(shí)現(xiàn)了純逆流換熱。常用于液-液熱交換，由于受到通道斷面的限制，只

4、能用在流量不大的場(chǎng)合。螺旋板式熱交換器流道的兩端密封直接影響到它的運(yùn)行，密封的方法有多種，對(duì)于I型，通道兩端全焊密封，為不可拆結(jié)構(gòu)，目前工作的公稱壓力在2.5MPa以下。II型：流體的流動(dòng)方式與I相同，但通道兩端交錯(cuò)焊接，兩端面的密封采用頂蓋加墊片的結(jié)構(gòu)，螺旋體可由兩端分別進(jìn)行機(jī)械清洗，故為可拆式，主要用于氣-液熱交換，工作壓力為1.6MPa以下。III型：一側(cè)流體螺旋流動(dòng)，流體由周邊轉(zhuǎn)到中心，然后再轉(zhuǎn)到另一周邊流出。另一側(cè)流體只作軸向流動(dòng)，如蒸汽由頂部端蓋進(jìn)入，經(jīng)敞開通道向下軸向流動(dòng)而被冷凝，凝液從底部排出。通道的密封結(jié)構(gòu)為一個(gè)通道的兩端為焊接，另一通道的兩端為全敞開。由于它的軸向流通截面比

5、螺旋通道的流通截面大得多，適宜于兩流體的體積流量相差大的情況，故常用作冷凝器等氣-液熱交換。允許的工作壓力為1.6MPa。除此以外，還可以有一些特殊結(jié)構(gòu)，如一側(cè)流體螺旋流動(dòng)，另一側(cè)為先軸向而后螺旋流動(dòng)的結(jié)構(gòu)，適用于蒸汽的冷凝冷卻。從上述螺旋板式熱交換器的流道結(jié)構(gòu)可見，由于流體在螺旋形流道內(nèi)的流動(dòng)所產(chǎn)生的離心力，使流體在流道內(nèi)外側(cè)之間形成二次環(huán)流，增加了擾動(dòng)，使流體在較低Re數(shù)下（Re=1400-1800，甚至為500時(shí)）就形成了湍流。并且因?yàn)榱鲃?dòng)阻力比管殼式小，流速可以提高，因而螺旋板式熱交換器中傳熱系數(shù)K值可比管殼式提高0.5-1倍以上。螺旋板式中的流動(dòng)阻力主要產(chǎn)生在流體與螺旋板的摩擦上，流

6、速的提高雖使得阻力增加，但傳熱效果也得到較好的改善，因而可以認(rèn)為螺旋板式熱交換器能更有效地利用流體的壓力損失。由于螺旋板式熱交換器往往具有兩個(gè)較長(zhǎng)的冷、熱流體的流道，故有助于精密控制流體出口溫度和有利于回收低溫?zé)崮?。在純逆流情況下，兩流體的出口端溫差最小可達(dá)到3。板式熱交換器它由一系列互相平行、具有波紋表面的薄金屬板相疊而成。板式熱交換器按構(gòu)造可分為可拆卸（密封墊式）、全焊式和半焊式三類，以密封墊式的應(yīng)用最廣。它們的工作原理基本相同?？刹鹦栋迨綗峤粨Q器由三個(gè)主要部件組成-傳熱板片、密封墊片、壓緊裝置及其他一些部件，如軸、接管等。串聯(lián)流程并聯(lián)流程混合流程傳熱板片是板式熱交換器的關(guān)鍵部件它的設(shè)計(jì)主

7、要考慮以下兩點(diǎn)：1.使流體在低速下產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)以強(qiáng)化傳熱2.提高板片剛度有較好的耐壓能力傳熱板片分為: 人字形波紋（剛性好，傳熱性能好，流阻大不適于含顆?；蚶w維的流體）板 水平平直波紋板 鱗甲波紋板 密封墊片 為了防止流體外漏和兩流體之間內(nèi)漏 要求耐蝕耐溫壓緊裝置 將墊圈壓緊使得熱交換器在工作時(shí)不發(fā)生泄漏用于相變換熱：板式冷凝器 板式蒸發(fā)器 三股流熱交換器板式熱交換器存在的主要問題是其操作的壓力和溫度受到結(jié)構(gòu)的限制板翅式熱交換器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、傳熱強(qiáng)度高。翅片是板翅式換熱器最基本的元件。冷、熱流體之間的熱交換大部分通過翅片傳遞，小部分直接通過隔板來進(jìn)行。翅片除承擔(dān)傳熱任務(wù)外，還起著兩隔板

8、之間的加強(qiáng)作用，因此，通道能承受較高的壓力。翅片稱為“二次表面”。翅片分為: 平直翅片 由薄金屬片滾軋（或沖壓）而成。主要作用是擴(kuò)大傳熱面 相對(duì)于其他翅片，換熱系數(shù)和阻力系數(shù)都較小，強(qiáng)度較高，可用于高壓工況鋸齒翅片 有利于促進(jìn)流體的湍動(dòng)，破壞熱邊界層。在壓力損失相同的條件下，傳熱系數(shù)比平直翅片高30%以上。在傳熱量相同的條件下，其壓力損失比平直翅片小。傳熱性能隨翅片切開長(zhǎng)度而變化，長(zhǎng)度越短，傳熱性能越好，但壓力降增加。適用于需要強(qiáng)化傳熱的場(chǎng)合（尤其是氣側(cè)）。 多孔翅片 在平直翅片上沖出許多圓孔或方孔而成 。翅片上的孔使熱邊界層不斷破裂，重新發(fā)展，提高了傳熱效果。它在Re數(shù)比較大的范圍內(nèi)（100

9、0-10000）比平直翅片的換熱系數(shù)高，但在高Re數(shù)范圍會(huì)出現(xiàn)噪音和振動(dòng)。多孔翅片主要用于導(dǎo)流片及流體中夾雜顆?；蛳嘧儞Q熱的場(chǎng)合。 波紋翅片 在平直翅片上壓成一定的波形（如人字形），使得流體在彎曲流道中不斷改變流動(dòng)方向，以促進(jìn)流體的湍動(dòng)，分離或破壞熱邊界層。波紋愈密，波幅愈大，其傳熱性能愈好。板翅式換熱器構(gòu)造：1封條 2導(dǎo)流片和封頭 為了便于把流體均勻地引導(dǎo)到翅片的各流道中或匯集到封頭中，均設(shè)有導(dǎo)流片一般在翅片的兩端封頭的作用就是集聚流體，使板束與工藝管道連接起來。3隔板與蓋板板束最外側(cè)的板稱為蓋板，它除了承受壓力外還起保護(hù)作用，板翅式熱交換器特點(diǎn) 1傳熱強(qiáng)度高。由于翅片表面的孔洞、縫隙、彎折

10、等促使湍動(dòng)，破壞熱阻大的層流底層，所以特別適合于氣體等傳熱性能差的流體間傳熱板翅式換熱器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1傳熱強(qiáng)度高（由于翅片表面的孔洞、縫隙、彎折等促使湍動(dòng)，破壞熱阻大的層流底層，所以特別適合于氣體等傳熱性能差的流體間傳熱）2結(jié)構(gòu)緊湊。3耐壓性。可承受10MPa以上的工作壓力。4多股流?？稍试S2-9股流體同時(shí)換熱。5耐溫性。可在-273-+500范圍內(nèi)使用。（可在-273-+500范圍內(nèi)使用）缺點(diǎn)：流道狹小，容易堵塞，清洗污垢困難板翅式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算首先根據(jù)已定工作條件，即熱負(fù)荷、允許壓降、流體特性、有無相變、溫差大小、最高工作壓力等因素，選定翅片型式和規(guī)格，然后進(jìn)行計(jì)算。翅片效率翅片壁面總效率

11、 物理意義：把二次傳熱面和一次傳熱面同等看待，認(rèn)為都處于一次傳熱面的傳熱溫差（tw-tf）下時(shí)，對(duì)總傳熱面所打的折扣。板翅式熱交換器單元尺寸的決定和設(shè)計(jì)步驟1根據(jù)換熱器的工作條件確定其流動(dòng)形式翅片管熱交換器翅片管熱交換器是一種帶翅（或稱肋）的管式熱交換器，它可以有殼體也可以沒有。構(gòu)造：翅片管熱交換器可以由一根或若干根翅片管組成。如空冷器翅片管熱交換器由于在管表面上加翅，不僅傳熱面積增加，而且可以促進(jìn)流體的湍流，所以傳熱系數(shù)比光管高1-2倍，特別是當(dāng)有翅側(cè)的遠(yuǎn)低于另一側(cè)時(shí)，效果尤為顯著。采用翅片管可使換熱器結(jié)構(gòu)緊湊。另外，翅片材料可與基管不同，材料的選擇利用更為合理翅片按其在管子上的排列方式，可

12、分為縱向和橫向翅片兩大類。通常將翅片設(shè)在小側(cè)。當(dāng)兩側(cè)接近時(shí)，宜在管內(nèi)、外兩側(cè)均加翅片，或外加翅片，內(nèi)加擾流元件。翅片管的類型和選擇 按照制造方法方法分為整體翅片 焊接翅片 機(jī)械連接翅片3.波紋翅片4齒形螺紋翅片5橢圓管翅片空冷器是一種常見的翅片管熱交換器，它以空氣作為冷卻介質(zhì),按結(jié)構(gòu)形式分為鼓風(fēng)式和引風(fēng)式翅片管管子常為圓形，空冷器中為強(qiáng)化傳熱也采用橢圓管。橢圓管的管外對(duì)流換熱系數(shù)比光管可提高25%，而空氣阻力可降低15-25%。翅片管的基本幾何尺寸包括：（1）基管外徑和管壁厚。（2）翅片高度和翅片厚度。增加翅高可使翅片表面積增加，但會(huì)使翅片效率下降，因而使有效表面積（翅片表面積乘以翅片效率）的

13、增加漸趨緩慢。翅片厚度主要考慮其強(qiáng)度、制作工藝和腐蝕裕量，國產(chǎn)鋁翅片和鋼翅片一般取0.5-1.2mm。3）翅片距。國產(chǎn)用于空冷器的翅片管的翅片距常為2.3mm。（4）翅化比。指單位長(zhǎng)度翅片管翅化表面積與光管外表面積之比。熱管換熱器分為 1平板式熱管（特點(diǎn)是加熱側(cè)的面積比較大，一般用于電子器件散熱。）2重力熱管（結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，成本低廉。） 3彎曲熱管 特點(diǎn)是管殼設(shè)計(jì)成扁平結(jié)構(gòu)4扁平熱管 5回轉(zhuǎn)式熱管 6 分離式熱管 7徑向熱管 8柔性熱管熱管的工作原理：熱管工作時(shí)，蒸發(fā)段因受熱而使其毛細(xì)材料中的工作液體蒸發(fā)，蒸汽流向冷凝段，受到冷卻而凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。熱

14、管的應(yīng)用：1能量回收裝置 2等溫恒溫裝置 3太陽能聚熱器 4電子和電氣設(shè)備冷卻 5凍土路基加固 6熱管空調(diào)熱管的組成1熱管的管殼是受壓部件，要求由高導(dǎo)熱率、耐壓、耐熱應(yīng)力的材料制造。但材料必須與工質(zhì)相容，即要求熱管在長(zhǎng)期運(yùn)行中管殼無腐蝕，工質(zhì)與管殼不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不產(chǎn)生氣體。管殼材料有不銹鋼、銅、鋁、鎳等，也可用貴重金屬鈮、鉭或玻璃、陶瓷等。2管芯是一種緊貼管殼內(nèi)壁的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，通常用多層金屬絲網(wǎng)或纖維、布等以襯里形式緊貼內(nèi)壁以減小接觸熱阻，襯里也可由多孔陶瓷或燒結(jié)金屬構(gòu)成應(yīng)具有的性能：（1）足夠大的毛細(xì)抽吸壓頭；（2）較小的液體流動(dòng)阻力，即有較高的滲透率；（3）良好的傳熱特性，即有較小的徑向熱

15、阻。管芯結(jié)構(gòu)種類：（1）緊貼管壁的單層及多層網(wǎng)芯；（2）燒結(jié)粉末管芯，由一定目數(shù)的金屬粉末或金屬絲網(wǎng)燒結(jié)在管內(nèi)壁面而成；（3）軸向槽道式管芯，它是在管殼內(nèi)壁開軸向細(xì)槽，以提供毛細(xì)壓頭及液體回流通道，槽的截面形狀有矩形、梯形等；（4）組合管芯。它把管芯分成兩部分，一部分起毛細(xì)抽吸作用，一部分起液體回流通道作用。3熱管工作液。應(yīng)具有較高的汽化潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)，合適的飽和壓力及沸點(diǎn)，較低的黏度及良好的穩(wěn)定性。工作液體還應(yīng)有較大的表面張力和潤(rùn)濕毛細(xì)結(jié)構(gòu)的能力，使毛細(xì)結(jié)構(gòu)能對(duì)工作液作用并產(chǎn)生必須的毛細(xì)力。工作液還不能對(duì)毛細(xì)結(jié)構(gòu)和管壁產(chǎn)生溶解作用，否則被溶解的物質(zhì)將積累在蒸發(fā)段破壞毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱管的工作特性 :

16、對(duì)于普通熱管，其液體和蒸汽循環(huán)的主要?jiǎng)恿κ敲?xì)材料和液體結(jié)合所產(chǎn)生的毛細(xì)力。毛細(xì)力需要克服液體的流動(dòng)壓降和蒸汽的壓降，而液體的體積力在壓力平衡中或?yàn)榱?，或?yàn)橥苿?dòng)力，或?yàn)樽枇?。液體的體積力所起的作用因熱管在重力場(chǎng)中所處方位不同而不同，當(dāng)熱管水平放置時(shí)體積力在軸向上的分力為零。當(dāng)熱管傾斜而加熱段在下時(shí)，體積力起輔助液體流動(dòng)的作用；而當(dāng)加熱段在上時(shí)，體積力在軸向的分力起阻止液體流動(dòng)的作用。在蒸發(fā)段內(nèi)，由于液體不斷蒸發(fā)，使汽液分界面縮回到管芯里，即向毛細(xì)孔一側(cè)下陷，使毛細(xì)結(jié)構(gòu)的表面上形成彎月形凹面。而在冷凝段，蒸汽逐漸凝結(jié)的結(jié)果使液汽分界面高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形狀，即界面的曲率半徑為無窮大

17、。曲率半徑之差提供了使工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，用以克服作用于工質(zhì)的重力、摩擦力以及動(dòng)量變化所引起的循環(huán)阻力。對(duì)于吸液芯熱管，傳熱極限是：（1）粘性極限。在蒸汽溫度低時(shí)，蒸汽在熱管內(nèi)的流動(dòng)受粘性力支配，即蒸汽流動(dòng)的粘滯阻力限制了熱管的最大傳熱能力。(2)聲速極限。熱管中的蒸汽流動(dòng)類似于拉伐爾噴管中的氣體流動(dòng)。由于蒸發(fā)段出口汽速達(dá)到聲速后不可能再增大，因而傳熱量也不可能再增加，這時(shí)熱管的工作達(dá)到了聲速的極限。（3）攜帶極限。當(dāng)蒸汽速度高到能把液面上的液體剪切成細(xì)滴并把它們帶到冷凝段時(shí)，由于液體被大量攜帶走，使應(yīng)當(dāng)通過毛細(xì)芯返回蒸發(fā)段去的液體不足甚至中斷，從而造成蒸發(fā)段毛細(xì)芯干涸，熱管停止工作，達(dá)

18、到攜帶傳熱極限。（4）毛細(xì)極限。又稱吸液極限。是指在熱管運(yùn)行中，當(dāng)熱管中的汽體液體的循環(huán)壓力降與所能提供的最大毛細(xì)壓頭達(dá)到平衡時(shí)，熱管的傳熱量也就達(dá)到了最大值。（5）沸騰極限。當(dāng)蒸發(fā)段徑向熱流密度很大時(shí)，管芯內(nèi)液體將會(huì)沸騰。當(dāng)熱流密度達(dá)到某一臨界值時(shí)，由于大量氣泡堵塞了管芯毛孔，減弱或破壞了毛細(xì)抽吸作用，致使凝結(jié)液回流量不能滿足蒸發(fā)要求。兩相閉式熱虹吸管，傳熱極限主要有：干涸極限、沸騰極限和攜帶極限熱管元件各傳熱環(huán)節(jié)熱阻（1）環(huán)境熱源與熱管加熱段外壁間的換熱熱阻 （2）熱管加熱段管壁的導(dǎo)熱熱阻（3）熱管蒸發(fā)段吸液芯-液體組合層的傳熱熱阻（5）蒸發(fā)段到凝結(jié)段蒸汽流動(dòng)傳熱熱阻（6）凝結(jié)段汽-液界面

19、蒸汽的相變換熱熱阻（7）凝結(jié)段吸液芯-液體組合層的傳熱熱阻（8）凝結(jié)段管壁的導(dǎo)熱熱阻. 熱管的制造 1）零部件的制備2）零部件的清洗3）充液和真空處理4）檢驗(yàn). 熱管熱交換器的傳熱計(jì)算1）傳熱計(jì)算的基本方程2）熱管元件各傳熱環(huán)節(jié)熱阻3）對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算4）傳熱系數(shù)的計(jì)算5. 熱管熱交換器的流動(dòng)阻力計(jì)算6. 熱管熱交換器的熱管工作安全性校驗(yàn)1）熱管工作溫度核算2）單管熱負(fù)荷計(jì)算3）壁溫計(jì)算熱管加熱段的最低壁溫tp,min至少應(yīng)大于管外氣流的水蒸汽露點(diǎn)tc，強(qiáng)化傳熱的方法:Q=KFtm,W1. 提高傳熱系數(shù) 手段：增大換熱系數(shù)h。2. 擴(kuò)展傳熱面積；3. 適度增大傳熱溫差。如何增大傳熱系數(shù): 1

20、從對(duì)流介質(zhì)、方式上進(jìn)行選擇，以增大 h； 2從機(jī)理上強(qiáng)化。a. 減小邊界層厚度； b. 增加流體擾動(dòng)；c. 增大流體速度梯度。對(duì)流換熱強(qiáng)化的場(chǎng)協(xié)同原理: 速度與溫度梯度之間的夾角應(yīng)盡可能地小，應(yīng)盡量平行。減薄熱邊界層實(shí)質(zhì)上與減小協(xié)同角等價(jià)；增加流體中的擾動(dòng)導(dǎo)致協(xié)同角的減?。辉黾颖诿娓浇乃俣忍荻纫彩箙f(xié)同角減小。 強(qiáng)化傳熱技術(shù)的效應(yīng)評(píng)價(jià)原則：管外h比管內(nèi) h 大得多。1）功率、工質(zhì)流量及壓力損失相同時(shí)，強(qiáng)化換熱器與普通換熱器的面積和體積比較。2）工質(zhì)流量、壓力損失及換熱器體積相同，換熱技術(shù)不同時(shí)的強(qiáng)化換熱器與普通換熱器的換熱功率比較。3）工質(zhì)流量、換熱器體積和換熱功率相同，換熱技術(shù)不同時(shí)的強(qiáng)化換

21、熱器與普通換熱器的壓力損失比較。4）考慮成本及運(yùn)行費(fèi)用的評(píng)價(jià)方法。1單相傳熱強(qiáng)化, 單相傳熱強(qiáng)化又分為可分為層流和湍流 強(qiáng)化機(jī)理：利用增加二次傳熱表面、和破壞原來未強(qiáng)化的流體的速度分布和溫度分布場(chǎng)。a.提高流速可以增加 h 并減少積垢，這是強(qiáng)化傳熱的主要途徑之一b. 增加管壁粗糙度以強(qiáng)化傳熱2相變傳熱強(qiáng)管內(nèi)層流換熱的強(qiáng)化1管道截面形狀對(duì)強(qiáng)化傳熱的影響。在各管道中溫度條件相同時(shí), 矩形管道能增加換熱系數(shù), 但同時(shí)阻力也劇增, 這就是管式換熱器一般采用圓管而不用換熱效果更好的矩形管道的原因。2層流的換熱系數(shù)通常較低，流體速度和溫度的變化分布在整個(gè)通道寬度上，故其熱阻不像湍流那樣基本集中在壁面附近，

22、因此，小尺度的粗糙表面在層流中換熱的強(qiáng)化效果不明顯。通常采取的強(qiáng)化措施是制造渦流（采用大粗糙度），或造成湍流。但壁面粗糙度過高時(shí)，對(duì)層流對(duì)流換熱并不有利。3采用扭曲橢圓管以強(qiáng)化傳熱。流體在螺旋扭曲橢圓換熱管外壁縱向流動(dòng)時(shí), 會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的以旋轉(zhuǎn)和周期性的物流分離與混合為主要特點(diǎn)的強(qiáng)擾動(dòng); 管內(nèi)的螺旋扭曲橢圓通道使管程物流產(chǎn)生以縱向旋轉(zhuǎn)和二次流為主要特點(diǎn)的強(qiáng)擾動(dòng); 管道內(nèi)沒有任何的流動(dòng)障礙, 不會(huì)使粘稠的流質(zhì)滯塞管道, 管內(nèi)阻力增加不大。從溫度場(chǎng)和流場(chǎng)耦合的角度來看, 層流狀態(tài)下?lián)Q熱得以強(qiáng)化的原因在于扭曲管的流體發(fā)生旋轉(zhuǎn), 產(chǎn)生二次流體, 使得流體存在指向壁面的分速度, 提高了壁面的溫度梯度, 增

23、強(qiáng)了截面上的速度和溫度分布的均勻性。過渡區(qū)換熱的強(qiáng)化1. 管道截面形狀對(duì)強(qiáng)化傳熱的影響在相同流動(dòng)阻力下選擇換熱量最大的管道截面形狀。（1）對(duì)三角形通道，在管道阻力相同的情況下，等邊三角形截面管道的換熱工況最佳。（2）對(duì)槽形通道，高度下降會(huì)減小進(jìn)口擾動(dòng)，推遲層流流動(dòng)向紊流流動(dòng)過渡，降低單位面積的換熱強(qiáng)度，但可布置更多的換熱面，所以單位體積的換熱強(qiáng)度可迅速提高在具有槽形截面通道的換熱器中，采用波形換熱板可以提高換熱系數(shù)2波紋管的應(yīng)用。不銹鋼波紋管特殊的波峰與波谷設(shè)計(jì)使管內(nèi)流動(dòng)分為等直徑流速型和弧形流速型，流體沿流動(dòng)方向在波峰處速度降低、靜壓增大，波谷處速度增加、靜壓減小，使流速和壓力周期性地變化，

24、冷熱流體流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，極大地破壞邊界層的形成，使得波紋管的傳熱系數(shù)明顯高于直管。但管內(nèi)流動(dòng)阻力比直管大，且流速越高流動(dòng)阻力越大。3增加管壁粗糙度 紊流流動(dòng)的強(qiáng)化傳熱1. 采用環(huán)狀凸出物強(qiáng)化傳熱。當(dāng)流體流過環(huán)狀凸出物時(shí)，使壁面上的邊界層發(fā)生分離，在越過環(huán)狀凸出物后會(huì)形成旋渦，而后再匯合起來繼續(xù)前進(jìn)直到流過下一個(gè)環(huán)狀凸出物時(shí)再重復(fù)這一過程，不斷擾動(dòng)邊界層，從而強(qiáng)化了傳熱過程。當(dāng)環(huán)狀凸出物相對(duì)節(jié)距t/h不變時(shí)，環(huán)狀凸出物相對(duì)高度h/d增加將使阻力系數(shù)增大。當(dāng)環(huán)狀凸出物相對(duì)高度不變時(shí)，環(huán)狀凸出物相對(duì)節(jié)距增大將使阻力系數(shù)減小。2. 采用帶周向半環(huán)狀凸出物的管子強(qiáng)化換熱。當(dāng)流體流過帶半環(huán)狀凸出物的

25、管子時(shí)，在環(huán)狀凸出物后面會(huì)形成一個(gè)紊流強(qiáng)度較大的旋渦，流體流速沿圓周上的分布以及紊流強(qiáng)度的分布都不均勻。在半邊凸出物作用下，流體被壓向光壁一邊，使得光壁一邊的邊界層厚度減薄，促進(jìn)了傳熱的強(qiáng)化。3.采用擴(kuò)張-收縮管以強(qiáng)化傳熱。貼近管壁處的粘性邊界層中的速度比光滑管高, 因而能夠強(qiáng)化4.采用流體脈動(dòng)強(qiáng)化換熱應(yīng)用流體旋轉(zhuǎn)法強(qiáng)化單相流體管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱1扭帶管的應(yīng)用 強(qiáng)化機(jī)理 1) 扭帶的插入使得圓管的水力直徑減小, 從而使得換熱系數(shù)增大。 2) 扭帶的存在使流體產(chǎn)生一個(gè)切向速度分量, 流體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力會(huì)產(chǎn)生顯著的離心對(duì)流作用, 導(dǎo)致管子中心區(qū)域的流體與接近管子壁面處的流體之間產(chǎn)生混合, 從而使傳

26、熱得到強(qiáng)化。另外, 由于壁面處流體剪切應(yīng)力增大, 邊界層厚度減薄, 使換熱得以強(qiáng)化。 3) 如果扭帶與管子壁面緊密接觸, 它們之間的接觸熱阻較小, 可增大有效的換熱表面面積。2間隔扭帶管的應(yīng)用將一系列按照相同旋向扭轉(zhuǎn)180的短扭帶元件在內(nèi)徑為di的圓管內(nèi)平均間隔排列, 相鄰元件之間采用直徑為dr、長(zhǎng)度為Z的金屬細(xì)桿點(diǎn)焊連接。當(dāng)扭帶元件的間距較大時(shí), 間隔扭帶的強(qiáng)化傳熱效果比連續(xù)扭帶差。3螺旋片管的應(yīng)用 扭帶的作用是使管內(nèi)全部流體發(fā)生旋轉(zhuǎn), 因此造成阻力損失無謂地增大。4靜態(tài)混合器 靜態(tài)混合器中流體經(jīng)過反復(fù)不斷的分割和正反方向的旋轉(zhuǎn)而均勻地徑向混合, 有效地增強(qiáng)了主流和近壁區(qū)域流體的徑向混合。因

27、此, 管子截面上速度和溫度分布可接近于柱狀流, 在整個(gè)橫截面上可獲得接近于均勻值的速度分布, 流體在管子徑向的溫度差也顯著減小, 從而顯著地強(qiáng)化了傳熱過程。但是, 由于靜態(tài)混合器中流體的不斷分離和混合以及旋流的反復(fù)改向, 造成了比扭帶大得多的動(dòng)量損失, 因此這種流動(dòng)方式也不可避免地增大了阻力損失。5螺紋槽管的應(yīng)用螺紋槽管內(nèi)傳熱強(qiáng)化主要是兩種流動(dòng)方式起決定作用。一種是因?yàn)槁菪蹖?duì)近壁處流體流動(dòng)的限制作用, 使管內(nèi)流體產(chǎn)生附加的螺旋運(yùn)動(dòng), 結(jié)果提高了近壁流體與管壁間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度, 從而減薄了傳熱邊界層的厚度, 提高了傳熱速率。另一種流動(dòng)方式是螺旋槽導(dǎo)致的形體阻力, 它起了造成人工表面粗糙物的作用

28、, 在槽肋的前后產(chǎn)生逆向壓力梯度, 使邊界層出現(xiàn)分離旋渦, 結(jié)果破壞了流動(dòng)邊界, 加強(qiáng)了流體的徑向混合, 減少了邊界層熱阻, 從而提高了傳熱速率。6螺旋線圈的應(yīng)用7螺旋內(nèi)肋管和直內(nèi)肋管的應(yīng)用采用螺旋內(nèi)肋管, 一方面可使流體旋轉(zhuǎn), 另一方面作為擴(kuò)展表面的內(nèi)肋片又?jǐn)U大了管內(nèi)換熱面積, 兩方面的強(qiáng)化傳熱效應(yīng)有利于增強(qiáng)傳熱或降低壁溫。直內(nèi)肋管中流體不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。管內(nèi)存在肋片時(shí), 由于濕周增大, 導(dǎo)致管子當(dāng)量直徑減小, 當(dāng)量直徑的減小和管子內(nèi)壁換熱面積的增大使得直內(nèi)肋管的換熱系數(shù)高于光管的換熱系數(shù)。單相流體在管束中強(qiáng)制對(duì)流換熱的強(qiáng)化 1.單相流體沖刷光管管束的流動(dòng)和傳熱方式流體流過管束的方式1）縱向沖刷流

29、動(dòng)：核反應(yīng)堆周圍冷卻流體的流動(dòng)；鍋爐煙氣在部分鍋爐對(duì)流管束外的流動(dòng)。2）橫向沖刷流動(dòng)空氣在管式空氣預(yù)熱器外的流動(dòng)；煙氣在鍋爐過熱器、再熱器和省煤器外的流動(dòng)。在一般工業(yè)換熱設(shè)備實(shí)用的Re數(shù)范圍內(nèi), 流體橫向沖刷管束比縱向沖刷管束的換熱系數(shù)高。 關(guān)于順排和叉排 當(dāng)流體橫向沖刷順排管束時(shí), 從第二排管子起, 每排管子正對(duì)來流的一面位于流體外掠前一排管子而形成的旋渦尾流區(qū)內(nèi), 受到流體沖刷的情況因而較差。 而當(dāng)流體橫向沖刷叉排管束時(shí), 沿流動(dòng)方向各排管子受到?jīng)_刷的情況大致相同, 各處流體的混合情況較順排管束有所改善, 因而叉排管束平均換熱系數(shù)一般比順排管束高。管排數(shù)的多少也影響整個(gè)管束的平均換熱系數(shù)。

30、管束第一排管子的換熱類似于流體橫向沖刷單管的換熱工況。沿流動(dòng)方向, 每排管子的對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)不斷增大, 其原因是后排管子總是受到前一排管子引起的湍流擾動(dòng)作用的影響。從第四、五排管子開始, 管束中的流動(dòng)狀況已經(jīng)變化很小, 管子的平均換熱系數(shù)趨向一常數(shù)。因此, 管束的平均換熱系數(shù)也趨于一個(gè)與管排數(shù)無關(guān)的終值。實(shí)際上, 管束后排受前排管子尾流的擾動(dòng)作用對(duì)平均換熱系數(shù)的影響要直到十排以上的管子才能消失，單相流體外掠沖刷管束換熱通常采用擴(kuò)展換熱面（添加肋）片以及在管子外壁面上增加人工粗糙度的方法來加以強(qiáng)化。1所有這些肋片一方面增大了換熱面積，另一方面可以破壞邊界層的發(fā)展，提供周期性的薄邊界層形成渦區(qū)，增

31、強(qiáng)渦流區(qū)傳熱元件間的散熱，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。管外肋片的疏密程度和高度還與管外流體的污染程度和溫度水平有關(guān)。采用肋片的另一種效應(yīng)是使肋片一側(cè)管壁溫度更加接近于同側(cè)流體溫度。若肋片布置在低溫流體側(cè)，可使壁溫降低；若布置于高溫流體側(cè)，可使壁溫升高。應(yīng)考慮管子和翅片材料耐溫問題2在管外采用人工粗糙度以強(qiáng)化單相流體換熱，是指在管子外壁上形成某種粗糙凸出物，以增強(qiáng)管外流動(dòng)的湍流度。主要目的不是增大換熱面積。強(qiáng)化縱向沖刷管束的換熱：一般用小直徑金屬絲繞在管外，或采用其他形狀的低肋管。1.流體橫向沖刷肋片管束的流動(dòng)和傳熱特性及其影響因素流體橫向沖刷肋片管束的流動(dòng)狀況相當(dāng)復(fù)雜, 取決于肋片管束中的三維流動(dòng)特征

32、和繞流過程中發(fā)生的流動(dòng)分離現(xiàn)象。肋片管束這種管外繞流的復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)決定了其換熱與流動(dòng)參數(shù)、流體熱物理性質(zhì)以及管束一系列幾何參數(shù)有關(guān)。擴(kuò)展換熱面的應(yīng)用1.板肋式換熱器2. 管式板肋換熱器1) 波紋型肋片2) 條縫型錯(cuò)置帶狀肋片 3) 百葉窗型肋片 4) 凸型百葉窗型肋片熱交換器的應(yīng)用1.空氣預(yù)熱器：光管管式-管內(nèi)煙氣，管外空氣?？諝忸A(yù)熱器：強(qiáng)化管管式-管內(nèi)煙氣，插有螺旋片；管外空氣?？諝忸A(yù)熱器：擴(kuò)縮管管式-管內(nèi)煙氣，管外空氣?？諝忸A(yù)熱器：熱管式-翅片管管外煙氣、空氣。(解決硫酸腐蝕問題的調(diào)壁溫設(shè)計(jì)：由于熱管的管壁溫度基本上與管內(nèi)蒸汽溫度相近，故可用調(diào)整煙氣段 (hA)值的辦法來控制熱管管壁溫度。

33、)2省煤器： A.膜式省煤器。煙氣加熱給水。管內(nèi)水，管外煙氣 B.螺旋外肋省煤器。煙氣加熱給水。管內(nèi)水，管外煙氣。3熱管鍋爐-應(yīng)用熱管的余熱鍋爐：熱管冷凝段外為水，熱管蒸發(fā)段外為余熱煙氣。空氣冷卻凝結(jié)器：間接干冷方式海勒系統(tǒng)（ Heller ）：采用噴射式（混合）凝汽器；管內(nèi)為熱水，管外為空氣； 主要是由噴射式凝汽器和裝有福哥型散熱器的空冷塔構(gòu)成，系統(tǒng)中的冷卻水進(jìn)入凝汽器直接與汽輪機(jī)乏氣混合并使其冷凝。受熱后的冷卻水絕大部分由循環(huán)泵送至空冷塔散熱器，經(jīng)與空氣對(duì)流換熱冷卻后再送至噴射式凝汽器進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)4空氣冷卻凝結(jié)器：間接干冷方式哈蒙系統(tǒng)（ Hamon ）：由表面式凝汽器與空冷塔構(gòu)成，冷卻水

34、系統(tǒng)為密閉式循環(huán) 從空冷塔冷卻出來的冷卻水，被用來冷卻汽輪機(jī)排汽，冷卻水在表面式凝汽器受熱后，經(jīng)循環(huán)水泵加壓送入空冷塔內(nèi)的散熱器，與外部空氣進(jìn)行熱交換，經(jīng)空氣冷卻后的冷卻水再進(jìn)入表面式凝汽器，構(gòu)成閉式循環(huán)。附：濕塔冷卻方式：濕冷塔或噴淋池把循環(huán)冷卻水噴入空氣流中，其中一部分被蒸發(fā)散失，即電廠把廢熱和相當(dāng)部分水蒸氣一起排放到大氣中去。附：直流冷卻方式：使用冷卻水經(jīng)表面式冷凝器帶走廢熱，將其直接排入大的水體，如湖泊、河流、大海等。5運(yùn)輸動(dòng)力裝置空氣冷卻器：管內(nèi)為熱水，翅片通道內(nèi)為空氣。6制冷裝置中的列管式蒸發(fā)器：制冷劑（氨，R22等）在管束外蒸發(fā)，載冷劑（CaCl2, 水等）在管內(nèi)流動(dòng)。7制冷裝置

35、中的板式蒸發(fā)器，制冷劑和載冷劑在通道中交叉流動(dòng)8空氣調(diào)節(jié)器9臺(tái)式電腦、服務(wù)器及工作站CPU的散熱10空間核電源：導(dǎo)出堆芯內(nèi)的核反應(yīng)熱為什么要使用空冷？與常規(guī)濕式冷卻技術(shù)相比，空冷技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)水與環(huán)保按冷卻方式分類，凝汽器可以分為兩大類即濕冷式凝汽器和空冷式凝汽器按照循環(huán)水的循環(huán)方式：開式和閉式開式系統(tǒng)的循環(huán)水取自海水或河水閉式系統(tǒng)則通過冷卻塔對(duì)循環(huán)冷卻水以“淋雨”方式與空氣進(jìn)行直接接觸空冷、回收入和再循環(huán)間接空氣冷卻系統(tǒng) 混合式 間接空冷凝汽器 海勒式 表面式 間接空冷凝汽器 哈蒙式直接空氣冷卻系統(tǒng) 直接空冷凝汽器直接空氣冷卻系統(tǒng) ACC 直接空冷是指將汽輪機(jī)的乏氣直接用空氣來冷凝，所需

36、冷卻空氣通常由機(jī)械通風(fēng)方式供應(yīng)，其散熱器是由外表面鍍鋅的橢圓形鋼管外套矩形鋼翅片的若干個(gè)管束組成的直接空冷系統(tǒng)由大直徑排汽管及其熱補(bǔ)償器、空冷凝汽器、螺旋槳式軸流冷卻風(fēng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)（簡(jiǎn)稱空冷風(fēng)機(jī)）、調(diào)速變頻器、抽真空系統(tǒng)、沖洗設(shè)備、電動(dòng)真空隔離蝶閥、凝結(jié)水精處理裝置、空冷熱力控制系統(tǒng)等組成優(yōu)點(diǎn)：冷卻效率高。不需要象間接空冷那樣通過循環(huán)冷卻水來冷卻汽機(jī)排汽，而直接由空氣來冷卻汽機(jī)排汽，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了冷卻效率占地面積小。凝汽器和散熱器合二為一，稱為空冷凝汽器，將其高位布置在汽機(jī)房A列外，可比間接空冷大大節(jié)省占地 投資較省，一次性投資少 系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活，冬季運(yùn)行防凍性能好 換熱的對(duì)數(shù)平均溫差比間冷高出1.5倍缺點(diǎn)：運(yùn)行費(fèi)用較高。因其背壓高，煤耗較大，大型風(fēng)機(jī)多，廠用電也高，所以運(yùn)行費(fèi)較高有風(fēng)機(jī)噪音問題，對(duì)外界大風(fēng)的