傳熱學(xué)-影響間壁式換熱器性能的因素及強(qiáng)化措施

1、傳熱學(xué)-影響間壁式換熱器性能的因素及強(qiáng)化措施間壁式換熱器主要以熱傳導(dǎo)、對(duì)流形式傳熱。但管壁導(dǎo)熱熱阻較小， 對(duì)傳熱影響不大.影響其傳熱過程的因素主要來自對(duì)流傳熱過程，其中 影響較大的有以下幾方面。1）流體的種類和相變:不同的液體、氣體或蒸汽的對(duì)流傳熱系數(shù) 都不相同，牛頓型流體和非牛頓型流體也有區(qū)別。流體有相變的傳熱過 程，其傳熱機(jī)理不同于無相變過程，所以傳熱系數(shù)不同。2）流體的特性： 對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)影響較大的流體物性有導(dǎo)熱系數(shù)、乳度、比熱容、密度 以及體積膨脹系數(shù)。對(duì)同一種流體，流體的物性不同，對(duì)流傳熱系數(shù)亦 不同。3）流體的流動(dòng)狀態(tài)：由層流和湍流的傳熱機(jī)理可知，流體處于層 流狀態(tài)，對(duì)流傳熱系數(shù)

2、較小，流體處于劇烈的湍流狀態(tài)時(shí)，對(duì)流傳熱系 數(shù)大。4）流體流動(dòng)的原因:按引起流動(dòng)的原因分，對(duì)流傳熱分為自然對(duì) 流和強(qiáng)制對(duì)流。強(qiáng)制對(duì)流的傳熱系數(shù)較自然對(duì)流的傳熱系數(shù)大幾倍甚至 幾十倍。5）傳熱面的形狀、位置和大小:傳熱面的形狀（如管、板、環(huán)隙、 翅片等）、傳熱面方位和布置（水平或垂直放置，管束的排列方式等）及 管道尺寸（如管徑和管長等）都直接影響對(duì)流傳熱系數(shù)。6）流體的溫度： 流體的溫度對(duì)對(duì)流傳熱的影響表現(xiàn)在流體溫度和壁面溫度之差、流體物 性隨溫度變化的程度以及附加自然對(duì)流等方面。此外，由于流體內(nèi)部溫 度分布不均勻，必然導(dǎo)致密度的差異，從而產(chǎn)生附加的自然對(duì)流，這種 影響又與熱流方向及管子排列情況

3、等有關(guān)。此外，換熱器在實(shí)際操作中，傳熱表面上常有污垢積存，對(duì)傳熱產(chǎn)生附加熱阻，所以生產(chǎn)用的換熱器要防止和減少污垢層的形成，降低 其對(duì)傳熱效果的影響。2間壁式換熱器傳熱過稱的強(qiáng)化路徑換熱器傳熱過程的強(qiáng)化就是力求使換熱器在單位時(shí)間內(nèi)，單位傳熱面積傳遞的熱量盡可能增多。其意義在于:在設(shè)備投資及輸送功耗一 定的條件下，獲得較大的傳熱量，從而增大設(shè)備容量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率； 在設(shè)備容量不變的情況下使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少占地空間，節(jié)約材料， 降低成本:在某種特定技術(shù)過程中使某些特殊工藝要求得以實(shí)施等。換 熱設(shè)備傳熱計(jì)算的基本關(guān)系式揭示了換熱設(shè)備的傳熱速率Q與總傳熱系 數(shù)K、平均溫度差以及傳熱面積A之間的關(guān)系

4、。因此，要使換熱設(shè)備的 傳熱過程得到強(qiáng)化，可以通過提高傳熱系數(shù)，增大換熱面積和增大平均 傳熱溫差來實(shí)現(xiàn)。2.1增大傳熱面積A.增大傳熱面積，是指從設(shè)備的結(jié)構(gòu)入手，通 過改進(jìn)傳熱面的結(jié)構(gòu)來提高單位體積的傳熱面積，而非靠增大換熱器的 尺寸.使用多種高效能傳熱面，不僅使傳熱面得到充分的擴(kuò)展，而且還 是流體的流動(dòng)和換熱設(shè)備的性能得到相應(yīng)的改善。主要型式介紹如下：1）翅化面（肋化面）：用翅（肋）片來擴(kuò)大傳熱面面積和促進(jìn)流體的 湍動(dòng)，從而提高傳熱效率，是最早提出的方法之一翅化面的種類和型式 很多，用材廣泛，制造工藝多樣，翅片管式換熱器、板翅式換熱器等均 采用此法強(qiáng)化傳熱。2）異形表面:用軋制、沖壓、打扁或

5、爆炸成型等方法將傳熱面制 造成各種凹凸形、波紋形、扁平狀等，使流道截面的形狀和大小均發(fā)生 變化。這不僅使傳熱表面有所增加，還使流體在流道中的流動(dòng)狀態(tài)不斷 改變，增加擾動(dòng)，減少邊界層厚度，從而強(qiáng)化傳熱。3）多孔物質(zhì)結(jié)構(gòu):將細(xì)小的金屬顆粒燒結(jié)或涂敷于傳熱表面或填充于傳熱表面間，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大傳熱面積的目的。4）采用小直徑管:在管殼式換熱器設(shè)計(jì)中，減小管子直徑，可增 加單位體積的傳熱面積。據(jù)測(cè)算，在殼徑為100011 .以下的管殼式換熱 器中，把換熱管直徑由。改為.，傳熱面積可增加3濺以上。另一方面， 減小管徑后，使管內(nèi)湍流換熱的層面內(nèi)層減薄，有利于傳熱的強(qiáng)化。2.2增大平均溫度差。增大平均溫度差，可以

6、提高換熱設(shè)備的傳 熱效率。平均溫度差的大小主要取決于兩流體的溫度條件和兩流體在換 熱器中的流動(dòng)形式。可以從以下兩方面增大平均溫度差:一是在冷流體 和熱流體進(jìn)出口溫度一定時(shí)，利用不同的換熱面布置來改變平均溫度差. 如盡可能使冷、熱流體相互逆流流動(dòng)，或采用換熱網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，合理布置 多股流體流動(dòng)與換熱;二是擴(kuò)大冷、熱流體進(jìn)出口溫度的差別以增大平 均傳熱溫差。但此法受生產(chǎn)工藝限制，不能隨意變動(dòng)，只能在有限范圍 內(nèi)采用。2.3提高總傳熱系數(shù)K。提高換熱設(shè)備的傳熱系數(shù)以增加換熱量， 是傳熱強(qiáng)化的重要途徑，也是當(dāng)前研究傳熱強(qiáng)化的重點(diǎn).當(dāng)換熱設(shè)備的 平均傳熱溫差和換熱面積給定時(shí)，提高傳熱系數(shù)將是增大換熱設(shè)備傳熱

7、 量的唯一方法。提高傳熱系數(shù)的方法大致可分為主動(dòng)強(qiáng)化（有源強(qiáng)化）和 被動(dòng)強(qiáng)化（無源強(qiáng)化）.主動(dòng)強(qiáng)化:只需要采用外加的動(dòng)力（如機(jī)械力、電磁力等）來增強(qiáng) 傳熱的技術(shù)。主要強(qiáng)化包括:對(duì)換熱介質(zhì)做機(jī)械攪拌、使換熱表面震動(dòng) 或流體振動(dòng)、將電磁場作用于流體以促使換熱表面附近流體的混合、將 異種或同種流體噴入換熱介質(zhì)或?qū)⒘黧w從換熱表面抽吸走等技術(shù)。被動(dòng) 強(qiáng)化:指除了輸送傳熱介質(zhì)的功率消耗外不再需要附加動(dòng)力來增強(qiáng)傳熱 的技術(shù)。被動(dòng)強(qiáng)化主要包括:涂層表面、粗糙表面、擴(kuò)展表面、擾流元 件、渦流發(fā)生器、射流沖擊、螺旋管以及添加物等手段。由于主動(dòng)強(qiáng)化 傳熱技術(shù)要求外加能量等因素的限制，工程中采用更多的是被動(dòng)強(qiáng)化傳 熱技術(shù)。3