交流材料之四(強(qiáng)化型熱交換器現(xiàn)狀及發(fā)展)

強(qiáng)化型熱交換器發(fā)展現(xiàn)狀ZhuRuisongzrs流材料之四2023-02-0211強(qiáng)化傳熱目的應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)的目的：提高換熱設(shè)備的效率減少能量傳遞過程中的不可逆損失合理有效地利用能源減少換熱面積降低金屬消耗2023-02-0222強(qiáng)化傳熱現(xiàn)狀國際上:各種強(qiáng)化型換熱器在石油、化工、制冷、航空、車輛及動力機(jī)械等工業(yè)部門得到使用。尤其在低溫差能源領(lǐng)域應(yīng)用：在地?zé)豳Y源、海洋熱能、太陽能以及余熱等利用中，應(yīng)用強(qiáng)化技術(shù)的換熱器就更有應(yīng)用價值。我國:目前的管殼式換熱器仍以弓形折流板加光滑管為主，效率低，能耗高。2023-02-0233強(qiáng)化傳熱原理傳熱過程強(qiáng)化原理：力求使換熱器在單位時間內(nèi)、單位傳熱面積傳遞的熱量盡可能增多。根據(jù)傳熱學(xué)的基本公式Q＝K·F·ΔTm可知，增強(qiáng)傳熱的途徑有三條：（1）提高換熱器的傳熱系數(shù)K；（2）加大換熱器的換熱面積F；（3）加大對數(shù)平均溫差ΔTm。2023-02-024強(qiáng)化傳熱原理實際工作中（1）加大換熱器的換熱面積F成本？（2）加大對數(shù)平均溫差ΔTm工藝？（3）提高換熱器的傳熱系數(shù)K對無相變傳熱來說，所有的研究均是以破壞邊界層，使邊界層減薄，降低邊界層熱阻，從而提高傳熱系數(shù)為目的。2023-02-0254強(qiáng)化傳熱手段

強(qiáng)化管程傳熱

a.只需做單管的傳熱與流阻實驗，設(shè)備簡單b.各種類型的強(qiáng)化傳熱管和管內(nèi)插入物

強(qiáng)化殼程傳熱

a.需做管束的傳熱與流體阻力實驗，設(shè)備龐大b.采用新的管間支撐結(jié)構(gòu)、新的管束排列方法2023-02-0265新型高效換熱器強(qiáng)化管程：1.麻花扁管2.螺旋槽紋管（螺紋管）3.橫紋管4.縮放管5.波紋管6.管內(nèi)插入物

強(qiáng)化殼程：1.折流桿2.螺旋折流板3.縱流管束4.高效沸騰傳熱管2023-02-027新型高效換熱器管殼式以外的新型：1.板殼式：可拆卸板殼式、焊接板殼式2.螺旋板式2023-02-0285.1麻花扁管換熱器開發(fā)：瑞典Alares公司的新產(chǎn)品，后經(jīng)BrownFin—tube公司改進(jìn)。原理：由于管子結(jié)構(gòu)獨特，使管程和殼程同時處于螺旋流運動，促進(jìn)了湍流。該換熱器總傳熱系數(shù)較現(xiàn)有換熱器提高40％，而壓力降幾乎相等。組裝時亦可采用麻花扁管與光管混合配置，嚴(yán)格按照ASME標(biāo)準(zhǔn)制造。2023-02-029麻花扁管換熱器制造：包括“壓扁”和“熱扭”兩個工序。

特點：改進(jìn)了傳熱，減少了結(jié)垢，真正逆流，無振動，節(jié)省了空間，無折流元件，降低了成本?？捎霉軞な綋Q熱器之處均可用此種換熱器替換。2023-02-02105.2螺旋槽管換熱器

原理：當(dāng)流體在管內(nèi)流動時，受螺旋槽的引導(dǎo)，管內(nèi)流體做螺旋運動來產(chǎn)生局部二次流，有利于減少流體邊界層厚度，因而可以加快由壁面到流體主體的熱量傳遞。應(yīng)用：可應(yīng)用于熱電廠，城市區(qū)域集中供熱、采暖、空調(diào)以及石油、化工等行業(yè)的汽－－水和水－－水換熱場合。

2023-02-0211螺旋槽管換熱器

特點1：對于管程蒸汽冷凝過程，冷凝液易于沿螺旋槽道排除，同時也增加了層流液膜的擾動，從而減少熱阻，提高冷凝放熱系數(shù)。特點2：采用螺旋槽管作為傳熱管，管程流體產(chǎn)生強(qiáng)烈地旋轉(zhuǎn)運動，對換熱管壁有較強(qiáng)地沖刷作用，以及螺旋槽管本身具有熱補(bǔ)償能力，熱脹冷縮，管壁不易結(jié)垢。2023-02-02125.3橫紋管換熱器

原理：

當(dāng)管內(nèi)流體流經(jīng)橫向環(huán)肋時，管壁附近形成軸向游渦，該游渦增加了邊界層的擾動，使邊界層分離，有利于熱量的傳遞。當(dāng)旋渦將要消失時流體又經(jīng)過下一個橫向環(huán)肋，因此不斷產(chǎn)生渦流，保持了連續(xù)、穩(wěn)定的強(qiáng)化作用。

2023-02-0213橫紋管換熱器

2023-02-02145.4縮放管換熱器

原理：縮放管是由依次交替的收縮段和擴(kuò)張段組成的波形管道。在擴(kuò)張段中流體速度降低，靜壓增加；在收縮段中流體速度增加，靜壓減小。在擴(kuò)張段中由于流體質(zhì)點速度變化產(chǎn)生劇烈的游渦并在收縮段中得到有效利用，而且沖刷流體邊界層，使其減薄。在相同流體阻力下，有比光管更好的傳熱性能。2023-02-02155.5波紋管換熱器

示意圖：2023-02-0216

波紋管換熱器

實物：2023-02-0217波紋管換熱器

原理：

波紋管式不銹鋼換熱器，由于其截面的周期性變化，使管內(nèi)外流體總是處于規(guī)律性的擾動狀態(tài)，流體在管內(nèi)周期性的能量積累與釋放使整個換熱器內(nèi)表面都受到流體沖刷，由于沖刷良好，不易形成污垢層，從而使換熱系數(shù)得到提高，換熱器能夠?qū)崿F(xiàn)長期而穩(wěn)定的強(qiáng)化傳熱，其度值較光管式提高2—3倍。2023-02-0218波紋管換熱器簡介：

波紋管是以普通光滑換熱管為基管，采用無切削滾扎工藝，使管內(nèi)外表面金屬塑性變形而成。管型：雙側(cè)帶有波紋。

2023-02-0219波紋管換熱器傳熱機(jī)理：

波紋管管內(nèi)被擠出凸肋，從而改變了管內(nèi)壁滯流層的流動狀態(tài)，減少了流體傳熱熱阻，增強(qiáng)了傳熱效果。

2023-02-0220波紋管換熱器特點1：換熱效率高

介質(zhì)在波紋管內(nèi)、外流動時，各點的流速大小和方向不斷在改變，在低流速下易形成湍流，可減薄層流底層，提高傳熱膜系數(shù)。2023-02-0221波紋管換熱器波紋管與光管管內(nèi)膜傳熱系數(shù)與阻力的對比層流區(qū)：隨Re↑→hi↑↑（達(dá)到強(qiáng)化最大值3.7）→△Pi↑過渡流區(qū)：隨Re↑→hi↑（增加的速度下降）→△Pi↑湍流區(qū)：隨Re↑→hi↑（增加的速度幾乎不變，強(qiáng)化2.6倍）→△Pi↑（2.6～2.7倍）

2023-02-0222波紋管換熱器波紋管與光管管外膜傳熱系數(shù)與阻力的對比在加工時管外被擠壓成凹槽，由于波距較大、槽深較淺，故傳熱表面增加很少。但是波紋狀的管壁可以增加流體的湍動，使得殼程傳熱系數(shù)和阻力也有不同程度的增加。波紋管實際上是一種雙側(cè)強(qiáng)化傳熱管型，管內(nèi)強(qiáng)化傳熱效果突出、管外抵不上螺紋管。

2023-02-0223波紋管換熱器相同操作條件下，與光管換熱器總傳熱系數(shù)與阻力的對比2023-02-0224波紋管換熱器特點2：自補(bǔ)償能力強(qiáng)

波紋管屬柔性元件，可近似看成多個補(bǔ)償節(jié)，在大溫差、大壓差情況下的變形可以自補(bǔ)償，對管板及殼體的作用力小。

2023-02-0225波紋管換熱器特點3：防垢和自除垢由于管壁表面光滑，且介質(zhì)呈三維流動，不斷沖刷管壁表面，污垢不易形成。在溫差和壓差作用下會使波紋管發(fā)生微小變形，由于管子與垢線膨脹系數(shù)相差很大，可使垢自動脫落。2023-02-0226波紋管換熱器特點4：應(yīng)力分布均勻

獨特的自由成型加工工藝，波紋在成型過程中沒有金屬模具的限位，殘余應(yīng)力小，應(yīng)力分布均勻，不宜發(fā)生應(yīng)力腐蝕。2023-02-0227波紋管換熱器特點5：體積小重量輕

因其換熱效率高，在同樣熱負(fù)荷條件下所需要設(shè)備體積小、重量輕，安裝維護(hù)方便，從而降低設(shè)備總投資。

2023-02-0228波紋管換熱器特點6：節(jié)能降耗顯著

波紋管換熱器的傳熱能力是列管式換熱器的1.5~3倍，表現(xiàn)為：（1）冷卻水消耗量小。相同熱負(fù)荷下耗水量只有列管式換熱器的30%~50%。（2）泵功耗低，節(jié)約電能。

2023-02-0229波紋管換熱器應(yīng)用：EA-4110A/B

EA-4110A/B為芳烴廠抽提裝置溶劑回收塔冷凝器，選用了北京廣廈公司的波紋管換熱器。該裝置于2001年10月一次投產(chǎn)成功；2002年1月，對該裝置進(jìn)行了標(biāo)定，波紋管換熱器各項指標(biāo)均好于設(shè)計值。

2023-02-0230波紋管換熱器應(yīng)用：EA-4110A/B技術(shù)參數(shù)設(shè)計數(shù)據(jù) 標(biāo)定值 操作參數(shù) 殼程 管程 殼程 管程

芳烴 水 芳烴 水介質(zhì)總流率，Kg/h 36,990 39,3062 33,750 269,990進(jìn)口溫度，℃ 54 33 53 20出口溫度，℃ 40 43 22 33進(jìn)口壓力，Mpa(絕壓) 0.04 0.5 0.04 0.5出口壓力，Mpa(絕壓) 0.029 0.47 0.03 0.48計算熱負(fù)荷，GJ/h 16.43 14.69 總傳熱系數(shù)，KJ/m2.℃.h 3570 3608 平均溫差，℃ 8.84 7.82 計算面積，m2 520 采用面積，m2 320x2=640 設(shè)備型號 BHC1100-320-1.0-W 管程數(shù) 2 殼程數(shù) 1 換熱管規(guī)格，mm Φ25x5000 折流板形式 弓型 折流板間距，mm 350 串聯(lián)臺數(shù)，臺 2

2023-02-0231波紋管換熱器應(yīng)用效益1：

EA-4110A/B波紋管換熱器的換熱面積為640m2，流程為單殼程雙管程，芳烴出口溫度小于40℃；若用普通列管式換熱器，換熱面積1230m2，流程為單殼程四管程，且芳烴出口溫度大于40℃。

2023-02-0232波紋管換熱器應(yīng)用效益2：

EA-4110A/B用波紋管換熱器，不僅設(shè)備重量減少了2/3，體積也減小，相應(yīng)減少了框架的鋼材用量及土建基礎(chǔ)的投資。波紋管能防垢和自除垢，可節(jié)省設(shè)備的維護(hù)費用。波紋管換熱器具有自補(bǔ)償作用，管子與管板處不易泄露，可延長設(shè)備開工周期。

2023-02-0233波紋管換熱器應(yīng)用效益3：

EA-4110A/B波紋管換熱器一次性投資84萬元，按15年折舊計算，折舊費為5.6萬元/年。而波紋管換熱器能使冷卻水出口溫度提高2~4℃。若以提高2℃計，每小時可節(jié)水78.6噸，若年開工按8400小時計，冷卻水按0.22元/噸計，一年可節(jié)約水費14.5萬元，大大高于設(shè)備折舊費。2023-02-02345.6管內(nèi)插入物換熱器

原理：

用插入物強(qiáng)化管內(nèi)單相流體傳熱，尤其是對強(qiáng)化氣體、低雷諾數(shù)流體或高粘度流體的傳熱更為有效。各種插入物強(qiáng)化傳熱的機(jī)理是，利用插人物使流體產(chǎn)生徑向流動，從而加強(qiáng)流體的混合，獲得較高的對流換熱系數(shù)。管內(nèi)插入物很多，如螺旋線、扭帶、錯開扭帶、螺旋片和靜態(tài)混合器等。2023-02-02356.1折流桿換熱器

2023-02-0236折流桿換熱器

2023-02-0237折流桿換熱器結(jié)構(gòu)：折流桿式換熱器是一種以折流柵代替折流板的換熱器，它由排布的支撐桿形成一系列的殼程折流，每副單一的折流柵的主要構(gòu)件包括支撐桿、折流環(huán)交叉支撐拉桿、縱向滑動桿。支撐桿桿端均焊接在圓環(huán)折流環(huán)上，采用4種不同布置方式的折流柵構(gòu)成折流柵組。2023-02-0238折流桿換熱器原理1：控制一臺換熱設(shè)備傳熱效率的是傳熱能力相對較差一側(cè)的傳熱能力，而這一側(cè)往往是殼程，美國人首先發(fā)明了折流桿列管式冷換設(shè)備。首先它的軸向流動方式，減少了殼程流體的滯流、回流和死區(qū)，減少了壓降和污垢沉積；而且桿后的卡門渦街脫落效應(yīng)在傳熱管子表面產(chǎn)生紊流，提高了殼側(cè)膜傳熱系數(shù)。2023-02-0239折流桿換熱器原理2：折流桿的夾持作用又抑制了破壞性振動，使冷換設(shè)備大型化成為可能。但是折流桿傳熱器不是萬能的，它有著自己的局限性，特別在低Re數(shù)、高粘度介質(zhì)中很難形成有效卡門渦街，達(dá)不到高傳熱效率的要求。為進(jìn)一步提高殼程傳熱能力，于是產(chǎn)生了螺旋折流板式列管冷換設(shè)備。2023-02-02406.2螺旋折流板換熱器弓形折流板換熱器優(yōu)缺點：傳統(tǒng)的管殼式換熱器多采用弓形折流板。優(yōu)點是：（1）結(jié)構(gòu)簡單；（2）制造方便。2023-02-0241螺旋折流板換熱器缺點是：（1）流動死區(qū)大，換熱系數(shù)小。在兩個折流通道變向過渡區(qū)域，流體取最短路程斜向前進(jìn)，就形成一個介質(zhì)相對靜止的三角形空間－－介質(zhì)滯流區(qū)，處于滯流區(qū)的管子表面換熱很差，相當(dāng)于減少了一部分換熱面積。（2）流動壓降大。弓形折流板在殼體內(nèi)垂直于換熱管束，使殼側(cè)形成若干個并列折返通道。（3）防污垢沉積能力差。（4）難以大型化。目前國內(nèi)最大的冷換設(shè)備換熱面積只有1000—2000m2，而國外可以達(dá)到5000—6000m2，甚至更多。2023-02-0242螺旋折流板換熱器

2023-02-0243螺旋折流板換熱器2023-02-0244螺旋折流板換熱器

2023-02-0245螺旋折流板換熱器特點：

螺旋折流板冷換設(shè)備殼程中的介質(zhì)既不是橫向流．也不是縱向流，而是一種螺旋狀斜向流，該種流動方式能適用包括高粘原油、渣油在內(nèi)的所有介質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)顯著地提高了換熱效率，大幅度降低了壓力降．控制了振動造成的破壞，減少了污垢沉積的可能性，為冷換設(shè)備的大型化提供了廣闊的前景。2023-02-0246螺旋折流板換熱器特點：介質(zhì)在殼體內(nèi)連續(xù)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)流動。避免了大斜度折返帶來的嚴(yán)重樂力損失，因為具有低壓力降特點。故可利用不同角度調(diào)整流通截面，使提高流速成為可能，大量實驗證明，高的膜傳熱系數(shù)來源于大的Re數(shù)，高的流速是提高Re數(shù)的重要條件、而這一條件是傳統(tǒng)弓形折流板所不能達(dá)到的，因為結(jié)構(gòu)不合理產(chǎn)生的壓力降成為它不可逾越的障礙。2023-02-0247螺旋折流板換熱器特點：螺旋折流板改變了殼體結(jié)構(gòu)，在保持較低壓力降的情況下大幅度提高介質(zhì)流速，這樣Re數(shù)的增加可以提高膜傳熱系數(shù)，因為折流板是螺旋狀結(jié)構(gòu)，介質(zhì)流形成的旋渦．從圓心到半徑方向存在較大的速度梯度，這個速度梯度場能在管子表面產(chǎn)生湍流，使邊界層減薄，利于提高膜傳熱系數(shù)。2023-02-0248螺旋折流板換熱器特點：另外，由于連續(xù)的螺旋支撐，減小了管束跨距，使得管于的固有頻率避開了流體的激振頻率，避免廠因共振引起的破壞，從而延長設(shè)備運行壽命，降低設(shè)備維修費用。由于流體螺旋運動的有效沖刷，污垢沉積減少，熱阻穩(wěn)定性增加，使換熱器氏期遠(yuǎn)行在高效狀態(tài)，達(dá)到了節(jié)能的目的。2023-02-0249螺旋折流板換熱器特點：(1)螺旋流動增強(qiáng)了流動湍動，強(qiáng)化傳熱；

(2)相同流量下，流動壓降??；(3)不易結(jié)垢；(4)消除了弓形折流板后面的卡門渦，防止流動誘導(dǎo)振動；(5)對于低雷諾數(shù)下(Re＜1000)的傳熱，其效果更為突出。2023-02-02506.3縱流管束換熱器原理：德國GRIMMA公司制造的一種整圓形折流板換熱器，其結(jié)構(gòu)為折流板上開橫排管孔，以4個孔為一組將管板處銑通，殼側(cè)流體在管板處沿著軸向流動，避免了流體團(tuán)轉(zhuǎn)折引起的滯留區(qū)。該公司用不同粘度的甘油和水混合物進(jìn)行實驗，結(jié)果表明在中低粘度范圍內(nèi)，縱流管束換熱器傳熱效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的圓缺形折流板換熱器。2023-02-02516.4高效沸騰傳熱管原理：強(qiáng)化沸騰傳熱的方法主要有各種特殊加工和表面處理、肋化表面、移置式強(qiáng)化物、渦流裝置及靜電場等。目前國內(nèi)外使用較多的是機(jī)加工成型的表面多孔管。其中美國聯(lián)合碳化公司的HIGH-FLUX，日本日立公司的E管和改進(jìn)型Ea管，德國Wieland-Werke公司的T管最為著名，占據(jù)了主要的市場。2023-02-0252高效沸騰傳熱管T管：以光滑管為毛坯，配以合適刀、模、夾具，采用無切屑機(jī)械滾軋方法即可成形。成形后的T形翅片管外表面為比較密集的帶螺旋狀的T字形翅片，翅片間形成一道細(xì)小的狹縫，狹縫下方為比較寬闊的螺旋隧道。這種特殊的表面結(jié)構(gòu)能促進(jìn)在管外沸騰的液體變成為在隧道壁上進(jìn)行的極其高效的液膜蒸發(fā)。2023-02-02537.1板殼式換熱器簡介：芬蘭Vahterus（伐德魯斯）板殼式換熱器自1990年發(fā)明以來，經(jīng)過不斷的研究開發(fā)，現(xiàn)已發(fā)明了全焊接的板殼式換熱器。具有管殼式換熱器耐高溫、高壓、安全可靠，并且有板式換熱器的高效緊湊、小溫差換熱的特點?？勺鳛閾Q熱器、蒸發(fā)器、冷凝器等廣泛地應(yīng)用于化工、制冷、能源等領(lǐng)域。2023-02-0254板殼式換熱器特點：1.設(shè)計：壓力（Mpa）1～10，設(shè)計溫度-80~400℃,特殊設(shè)計600℃。2.規(guī)格齊全m2：0.07~1500m2/臺。3.傳熱系數(shù)：500～4000W/m2.K。4.最小對數(shù)溫差：1℃。5.對于全焊接構(gòu)，不需要更換墊片，無泄漏，安全可靠。6.結(jié)構(gòu)緊湊