换热器的强化传热
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换热器的强化传热
日期: 14:53:44 来源:来自网络 查看:[大 中 小] 作者：未知 热度：
邹四平(湖南省安淳高新技术有限公司 长沙410007)
换热器是工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。如在化工厂用于换热设备的费用约占设备总费用的10%～20%;在炼油厂中换热设备约占全部工艺设备的35%～40%;其它如动力、原子能、冶金、食品、交通、家电等工业部门也有着广泛的应用。对一个传热过程而言,初投资与传热面积大小相关,因此,如何节约传热面积,研究换热器的强化传热技术十分重要。所谓强化传热技术就是当高温流体与低温流体在某一传热面两侧流动时,使单位时间内2种流体间交换的热量Ｑ尽可能增大。由传热速率方程Ｑ=ＫＡｍ&Dｔｍ可知:增加传热面积Ａｍ、增大传热温差&Dｔｍ、提高总传热系数Ｋ均可以提高传热速率。
1 增大传热温差&Dｔｍ
增大传热的平均温差&Dｔｍ是强化传热的一种有效手段。由&Dｔｍ=(&Dｔ1-&Dｔ2)/ｌｎ(&Dｔ1/&Dｔ2)可知:要提高&Dｔｍ就要增加&Dｔ1,减小&Dｔ2。由于流体的进、出口温度主要由生产工艺条件决定,要增加&Dｔ1减小&Dｔ2,其主要措施是:对无相变的流体,使冷、热流体逆流或接近逆流。这样不但可以增大传热温差,还有助于减少结构中的温差应力。
2 增加传热面积Ａｍ
增加传热面积不应靠加大设备外部尺寸来实现,应从设备内部结构考虑,提高换热器的紧凑性。一般通过下述途径来增加单位体积设备的有效传热面积:(1)采用最合适的内外导流筒结构,最大限度地消除管壳式换热器挡板处的传热不活跃区。(2)热传递面采用扩展表面,尽可能增加它的有效传热面积,如在对流传热系数较少一侧的传热壁面上装翅片、筋片、销钉等。(3)改良热传递表面性能,将管子内、外表面扎制成各种不同的表面形状,增加管内、外表面传热面积,如螺纹管、横纹管、周向波纹管、表面多孔管。(4)采用螺旋式、板式等结构紧凑的新型换热器。
3 提高总传热系数Ｋ
(1/Ｋ)=Ａ2/(&1&Ａ1)+Ｒｓ1&(Ａ2/Ａ1)+(ｂ/&)&(Ａ2/Ａｍ)+Ｒｓ2+1/&2
式中:Ａ1&&&管内壁传热面积;Ａ2&&&管外壁传热面积;&1&&&管内侧对流传热系数;&2&&&管外侧对流传热系数;ＲＳ1&&&管内侧污垢热阻;ＲＳ2&&&管外侧污垢热阻;&&&&管壁材料的导热系数;ｂ&&&管壁厚度。从上式中可知:要提高传热系数,就必须减少各项热阻。如尽可能减少管子壁厚ｂ,管子选用导热系数&大、抗腐蚀性的材料,增大对流传热系数&,减小污垢热阻Ｒｓ。
(1)选用高强度限和屈服限、抗腐蚀性能高、导热性能好的材料,如渗铝管换热器、镀锌管换热器。热管是一种新型传热元件,具有效率高、压降小、结构简单、紧凑性好等优点,发展较为迅速。
(2)增大对流传热系数&。通过有源强化(即利用外部能量的机械和流体振动,电场、磁场冲击的办法改善流动状态而强化传热)和非源强化(即改变传热元件本身的表面形状和表面处理方法获得粗糙表面的扩展表面,也有用内插物增加流体本身的扰流来强化传热)增强流体湍动程度,提高对流传热系数&。目前换热器的强化传热多数采用非源强化传热。常用方式有:①增加列管式换热器的管程程数和壳程中折流板数目,增大流速。②采用强化传热管(如螺旋槽纹管、横纹管、螺纹管),有利于减薄管子内部流体边界层厚度,使流体产生周期性扰动,并可以加快由壁面至流体主体的热量传递。③在列管内插入绕花丝多孔体,一方面增加管内流体流速,另一方面扰乱管内流体流向,增加湍动程度。④改变流体截面面积(如使用压偏圆管、缩扩管或在管内设置孔板等),增加流体湍动程度。⑤应用新型壳程折流支承结构(如双弓形折流板、三弓形折流板、螺旋形折流板、折流杆),强迫壳程流体流向不断改变,增加湍动程度。⑥妥善布置传热面,改进管子排列方式和管间距,尽量采用转角正三角形、转角正四边形排列。在工艺条件许可的情况下尽可能采用小直径换热管并且密排,改善流动特性,增强壳程流体湍动程度。⑦列管式换热管外套弹簧的螺旋圈结构及管外绕花丝多孔体结构能迫使流体作不规则径向、轴向运动。⑧将热传递面特制成粗糙表面(如表面多孔管、Ｔ形翅片管等)。
(3)减小污垢热阻Ｒｓ。换热器在运行一段时间后,单位时间内传热量Ｑ就会下降很多,这往往是由于有污垢积存,导致传热速率降低。一般设计人员在计算传热系数Ｋ时,往往根据经验需要考虑垢层热阻。因此防止流体结垢和及时清除垢层,对节约换热面积、延长设备寿命、节省初投资成本具有重要意义。具体方法如下:①使用抗腐蚀、抗污垢性强的换热管,如聚四氟乙烯塑料管、有机涂层换热管。②防止结垢。在介质中加入阻垢剂类微量物质,可以保证设备在更长时间内高效运行,不但阻缓换热器结垢,而且减小垢下腐蚀,延长设备使用寿命。阻垢剂主要有:无机磷系药剂、ＬＨＥ聚合羟基羧酸盐等。对换热管进行表面处理可以防止或减缓结垢。在严重结垢和壁温恒定条件下进行光管、内翅片管和螺旋槽管的抗垢性能比较研究表明:在相同操作条件下,内翅片管和螺旋槽纹管的传热系数仍比光管高10%～90%,其中螺旋槽纹管的热阻比光管低20%～50%。③定期清洗污垢。清除污垢的方法有:机械清洗(凭借外力将污垢和腐蚀产物清除)、化学清洗(通过化学清洗剂与腐蚀产物和污垢发生化学反应生成可溶性盐从而除掉污垢)。常用的机械清洗方法有:高压射流清洗、喷丸清洗、振动清洗、固体颗粒流态化清洗、钻、捅、刷等机械方法清洗除垢。常用的化学方法有:碱洗、酸洗、氨洗、专用溶剂清洗、燃烧除垢等。机械清洗一般与化学清洗联合使用,而化学清洗可单独使用,它具有清洗速度快、适用范围广的优点,但清洗费用高。另外,有些清洗剂在溶解垢层的同时,对设备基本材料也有腐蚀作用,需加入缓蚀剂。总之对于具体的换热设备要根据设备本身材质、介质性质、污垢种类等具体因素来确定使用何种方式。
随着能源的越来越紧缺,世界各国越来越重视强化换热技术的研究、开发和应用。可以预料,随着对强化传热的机理、设备结构的改进不断深入地进行研究,必将开发出更多、更加完善的高效换热设备。
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导热、对流传热、辐射传热的传热速率各不相同，教材上都有。对导热，和固体物体的形状、尺寸、导热系数、传热温差有关。对对流，和流体流经的固体壁面的形状、尺寸、材质，流体本身的流态、相态、温差有关，对辐射，和物体的黑度、角系数、四次...
冷热介质温度、冷热介质传热方式、冷热介质流动状态（若为流体）、传热界面热传导率，其他还有冷热介质热容等
1.结构不合理，冷或热源不能与换热面充分接触，换热面本身局部温差大，即换热面没能充分利用， 2.换热面材质选用不当，传热系数小，热阻大， 3.运行维护不好，换热面结垢，影响传热， 4.换热面两侧的流体，或其中一侧流速低，引起壁面流体滞流层...
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目前主要采用下述措施： 1、研究应用强化传热技术，扩展传热面积和提高传热表面的传热性能; 2、改变换热器折流板结构(折流杆技术等)以提高壳程的传热膜系数，增加介质的湍流性，防止介质走短流; 3换热管内外表面防污垢技术(防污垢涂层技术)。 4...
q=k*F(t内-t外） q：热负荷 k：传热系数，及传热效率 f：面积
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沸腾传热与汽泡的产生和脱离密切相关。汽泡形成的条件是:①液体必须过热;②要有汽化核心。这些条件是由汽泡与周围液体的力平衡和热平衡所决定的。根据表面张力，可算出汽泡内的蒸气压力pv为： 式中pe为周围液体的压力,忽略液柱静压时,即为饱和蒸气...
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如果传热介质的因素不变时，把换热器的单管程改为多管程，介质能充分地达到传热的效果，因而传热的效率提高了，但有利也有弊，管城流体的流动阻力将增大，传热速率也会降低。
过程速率是指物理或化学变化过程在单位时间内的变化率。 一般用单位时间过程进行的变化量表示过程的速率。如传热过程速率用单位时间传递过的热量，或用单位时间单位面积传递过的热量表示；传质过程速率用单位时间单位面积传递过的质量表示。 过...关于换热器传热过程的强化 　
文/俞日坤　　换热器在工业部门占有很大的比例。最近十多年来,强化传热技术受到了工业界的广泛重视,得到了迅速的发展,并取得了显著的经济效益。　　一、强化传热的概念　　换热器是用来实现冷热交换的设备,简单地说,换热器传热过程的强化就是提高换热器的换热能力。换热能力用什么表示呢?用传热速率Q表示,传热速率是指换热器在单位时间内所能交换的热量。强化传热是指设法提高换热器的传热速率。比如说有1个人原来只能挑100斤重的东西,通过强化训练,这个人可以挑起150斤重的东西,多挑了50斤,就是该人被强化了。　　二、强化传热的途径　　传热基本方程式如下:
　　　　当两个膜系数相差很大时,如用水来冷却气体,水的膜系数远大于气体的膜系数,应提高小的一侧膜系数,即气体一侧的膜系数,否则事倍功半。当两个膜系数相差不大时,如用热物料与相同的冷物料进行热交换时,应同时提高两侧的膜系数。提高对流传热膜系数有两个途径。其一提高流速,用增加管程数或壳程数的措施,以有效提高流速,使边界层厚度减薄,从而提高膜系数。其二增加流体的扰动(改变流体的流向),如采用内螺纹管、单头螺旋槽管代替普通铜管等;也可外开螺纹管等方式,以增大流体的扰动,来增大对流传热膜系数目的;也可装挡板来改变流体的流向,以增加流体的扰动,从而达到增大传热系数的目的。　　(3)减小垢层热阻。随着使用时间的增加,管壁处所结的污垢会越来越厚。由于污垢的导热系数很小,热阻很大。即使很薄的垢层,其热阻也可能很大,对易结垢流体的传热,很容易成为关键的热阻。因此,应采用必要的措施进行除垢。其主要措施有四条。①增大流速。可减少污垢的沉积。②定期除垢。如蒸发操作,经常是蒸发一次,清洗一次,清洗要求彻底干净。又如一年一度的大修,对换热器进行的除垢。③采用化学的方法,如水中加入六偏磷酸钠、三聚磷酸钠等除垢剂;又如进入锅炉的硬水进行处理使其成为软水;再如对循环使用的水易生成生物污垢,可用氯、溴、硫酸铜等作为生物杀菌剂等;④其他方法,超声波除水垢,其原理是当超声波信号作用于液体中时,使液体内形成许许多多微小的气泡(空化核),液体中每个气泡的破裂会产生能量很大的冲击波,这种现象称之为“空化效应”,超声波除垢正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到防垢除垢作用。　　2.增大传热面积　　增大传热面积,并不是指单纯地增加管数。如果增加管数,换热器体积就要增大。增大传热面是指单位体积的传热面增加,如用槽管代替光滑管。采用板式换热器替代列管式换热器。对列管式换热器采用小直径管。当传热壁面两侧膜系数相差很大时,须提高小的一侧传热面。　　3.增大平均温度差　　增大平均温度差,意味着增大传热的推动力。如提高加热蒸汽的压力,使相应蒸汽的温度提高,从而提高了壁面两侧的平均温度差,但增加了锅炉岗位的成本,也受到锅炉岗位的约束。将并流改用逆流操作,可使冷热流体的平均温度差适当增大,但对于热敏性物料,不易于出口温度的控制。增加载热体的消耗量,在操作中开大冷却剂或开大加热剂的用量,可提高冷热流体之间的平均温度差;另一方面流量的增加,使流速相应的增大,对流传热膜系数也会有一定的增大,这就是操作中利用调节控制载热体的用量使物料的温度得到相应的控制,但是这并不属于强化传热。因为载热体消耗量的增加,也增加了动力的消耗,能源的消耗。可见提高平均温度差,理论上可行,但受到了其他因素的限制。　　因此,强化传热最有效的途径,应从提高传热总系数K入手,通过各种方法和措施对换热器进行强化,以达到事半功倍之效。　　(作者单位:福建龙岩技师学院)
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