（化学工程专业论文）缩放管的改型研究及其在自然对流换热下的传热强化.pdf

摘要 能源是一种最重要的地球资源，也是社会发展和进步的重要物资基础。我国 虽然是能源生产和消费大国，但是人均资源占有量却相对很少。与此同时，我国 在能源使用中浪费严重，用能效率远低于发达国家，节能潜力巨大。强化传热技 术是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种新型节能技术，在提高能源的利用率方面起 到了重要的作用。近年来，强化传热技术得到了迅速的发展，在能源的开发利用、 节约等方面起着重要的作用。 管壳式换热器是目前工业部门中应用最普遍的一种换热器。强化管壳式换热 器的研究主要集中在强化管程和壳程两方面。缩放管是华南理工大学化工所传热 与节能重点实验室研制推出的一种高效的换热管，适用于管内外同时强化的场 合。而且由于缩放管曲面的过渡比较平滑，不易产生结垢，因此尤为适用于含杂 质流体的强化传热。 本文在普通缩放管的基础上介绍了一种改型缩放管，并对其进行了自然对流 沸腾传热实验。经实验验证得出，改型缩放管比普通缩放管具有更好的沸腾换热 性能。本文对普通光管、缩放管以及改型缩放管用于沸腾传热时的传热性能差异 进行了分析比较。研究结果表明，在相同的热流密度下，改型缩放管管内自然对 流沸腾换热系数与光滑管相比提高了2 5 ，普通缩放管则提高了6 。而在相同的 自然对流r e 数下，改型缩放管的换热系数也明显大于普通缩放管和光管。 此外，本文还对比了普通光管、缩放管以及改型缩放管在未沸腾情况下的传 热性能。经实验证明，在未沸腾情况下，改型缩放管仍比缩放管和光滑管要具有 更好的换热性能。在相同的自然对流r e 数下，改型缩放管的换热系数分别比普 通缩放管和光滑管提高了8 9 和1 8 3 。 关键词：强化传热；自然对流；缩放管 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n e r g yr e s o u r c e sa r et h em o s ti m p o r t a n tr e s o u r c e si nt h ew o r l da n di m p o r t a n t m a t e r i a lb a s eo fs o c i e t a ld e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s s a l t h o u g ho u rc o u n t r yi sab i g c o u n t r yi ne n e r g yp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o n ，t h ea v e r a g eo c c u p a n c ya m o u n to f e n e r g yr e s o u r c e si ss m a l lc o m p a r a t i v e l y a tt h es a m et i m e ，o u rc o u n t r yw a s t e sal o t i n + e n e r g yc o n s u m p t i o n t h ee f f i c i e n c y o fc o n s u m i n ge n e r g yi sl o w e rt h a nt h e d e v e l o p e dc o u n t r i e s ，s o t h e p o t e n t i a l o fe n e r g yc o n v e r s a t i o ni se n o r m o u s t h e t e c h n o l o g yo fe n h a n c i n g h e a tt r a n s f e ri san e we n e r g ys a v i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hh a s b e e nd e v e l o p i n gs i n c e1 9 6 0 s i nr e c e n ty e a r st h i st e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p i n g r a p i d l y i tp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei ne n e r g y e x p l o i t a t i o n ，u s i n ga n d c o n s e r v a t i o na n d e t c t h es h e l la n dt u b e h e a te x c h a n g e ri st h em o s tc o m m o nh e a te x c h a n g e ri n a p p l i c a t i o ni ni n d u s t r ya tp r e s e n t t h ee n h a n c i n gh e a tt r a n s f e rr e s e a r c ho f s h e l la n d t u b eh e a te x c h a n g e ri n v o l v e st w oa s p e c t s ，e n h a n c e dt u b es t r u c t u r ea n de n h a n c e d s h e l l s t r u c t u r e c o n v e r g e n t d i v e r g e n tt u b e i sah i g h l ye f f i c i e n th e a tt r a n s f e rt u b e w h i c hi s d e v e l o p e db yk e yl a b o r a t o r y o fe n h a n c e dh e a tt r a n s f e ra n de n e r g y c o n v e r s i o ni ns o u t hc h i n a u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y i tc a nb eu s e do n t h eo c c a s i o n o fb o t hi na n do u tt h et u b eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t f u r t h e r m o r et h et r a n s i t i o no f t h ec r o o k e ds u r f a c eo fc o n v e r g e n t d i v e r g e n tt u b ei ss m o o t hr e l a t i v e l y ，s oi t c a n h a r d l yh a v e t h ed i r t s oi ta l s oc a nb eu s e di nt h ef l u i dw h a th a v ei m p u r i t yi n t h i sp a p e ri n t r o d u c e dan e wd e v e l o p e dc o n v e r g e n t - d i v e r g e n tt u b e n a t u r a l c o n v e c t i v e b o i l i n ge x p e r i m e n t o ft h i s d e v e l o p e dc o n v e r g e n t d i v e r g e n t t u b ew a s c a r r i e do u t i ti sv a l i d a t e db yt h i se x p e r i m e n tt h a tt h i sn e wt u b eh a sb e t t e rb o i l i n g h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c et h a nt h a to ft h ec o m m o no n e t h i sp a p e rc o n t r a s t st h e b o i l i n g h e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c e o fs m o o t h t u b e ，c o n v e r g e n t d i v e r g e n t t u b e ， d e v e l o p e dc o n v e r g e n t d i v e r g e n tt u b ea n da n a l y z e st h ed i f f e r e n c e r e s u l t si n d i c a t e t h a t ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fd e v e l o p e dc o n v e r g e n t - d i v e r g e n tt u b ei s2 5 h i g h e r t h a nt h a to fs m o o t ht u b e ；t h ec o e f f i c i e n to fc o n v e r g e n t - d i v e r g e n tt u b ei s6 h i g h e r t h a nt h a to fs m o o t ht u b eu n d e rt h es a m eqv a l u e m o r e o v e r ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t o fd e v e l o p e dc o n v e r g e n t - d i v e r g e n tt u b ei so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a to fs m o o t ht u b e a n d c o n v e r g e n t d i v e r g e n t t u b eu n d e rt h es a m er en u m b e r i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ra l s oc o n t r a s t sh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fs m o o t ht u b e ， c o n v e r g e n t d i v e r g e n tt u b ea n dd e v e l o p e dc o n v e r g e n t d i v e r g e n tt u b ew h e nt h ef l u i d i sn o t b o i l i n g i t i sv a l i d a t e d b y t h e e x p e r i m e n t t h a tt h e d e v e l o p e d c o n v e r g e n t d i v e r g e n tt u b es t i l lh a sb e t t e rb o i l i n gh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c et h a nt h a t o ft h eo t h e rt w o r e s u l t si n d i c a t e t h a t 。h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fd e v e l o p e d c o n v e r g e n t d i v e r g e n tt u b ei s1 8 3 h i g h e rt h a nt h a to fs m o o t ht u b ea n d8 9 h i g h e r t h a nt h a to fc o n v e r g e n t - d i v e r g e n tt u b eu n d e rt h es a m er en u m b e r k e y w o r d s ：e n h a n c i n g h e a tt r a n s f e r ；n a t u r a lc o n v e c t i o n ；c o n v e r g e n t - d i v e r g e n tt u b e 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：识。日缘日期：伽呼年6 月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密匹 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 龇臼象 研姊 日期：枷弹年月哒日 日期：肼年占月巧日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 强化传热技术概述 所谓强化传热，即在换热设备中采用适宜的强化措旌，使冷热流体间的对流 传热量增大。强化传热技术是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种新型节能技术1 ， 其主要内容是采用强化传热元件，改进换热器结构，以提高传热效率，降低运行 阻力，从而降低设备投资和运行费用，提高能源的利用率。 1 1 1 节能的意义 能源是一种最重要的地球资源，也是社会发展和进步的重要物资基础。任何 一个生产过程都需要消耗一定的能源，人们的日常生活也离不开能源，生活水平 越高，消费的能源也越多。在一定时期内，一个国家的经济发展水平和人民生活 水平的高低，取决于那个国家的能源生产和消费水平，特别是能源利用和消费水 平。 我国虽然是能源生产和消费大国，但是人均资源占有量却相对很少。能源结 构以煤为主，环境污染严重。能源水平利用偏低，浪费很大。在今后相当长时期 里，我国面临着探明资源贫乏( 主要是油、气等) ，能源供应短缺和环境污染恶 化的危机和能源开发建设资金严重不足的困境。因此，合理高效地利用能源，既 能保持社会的适度发展，又尽可能地减少了对资源的消耗。我国于1 9 9 8 年1 月 1 日起正式颁布实施中华人民共和国节约能源法。该法指出，节能是国家发 展经济的一项长远战略方针，并重申了能源节约与能源开发并举，把能源节约放 在首位的能源政策。 近几年，我国节能工作已取得了重大成就，为经济的发展，能源的供需平衡 起到了重要作用。但是从我国能源资源条件、能源品种来看，当前我国石油供不 应求的问题仍然突出，原油增储上产的难度越来越大，资源保障程度很低，石油 安全供应形势非常严峻，其供需缺口在不断扩大，对外依存度不断增加。在相当 长的时期内，煤炭依然在我国能源消费中占主导地位，虽然通过进行能源结构调 整与优化，使得煤炭在能源消费总量中的比例趋于下降，但是我国煤炭的消费仍 然占有一定比例，为此给环境带来了沉重的压力，所以针对我国石油供应短缺， 能源结构性矛盾及能源发展与环保之间等矛盾，在我国实行节能显得特别紧迫。 同时长期以来，我国能源使用中浪费严重，用能效率远低于发达国家，因此节能 的潜力很大；再则节能的投资和成本都比开发能源要便宜，所以实行节能有着重 要的意义。 华南理工大学硕士学位论文 1 1 2 能源资源利用现状及前景预测 我国的能源资源比较丰富，但也面临着人均能源资源量低、能源资源分布不 均匀、能源利用效率低、能源工业装备落后以及环境污染严重等问题。例如，我 国的能源终端利用效率仅为3 3 ，比发达国家低1 0 个百分点；单位产品能耗比 发达国家高3 0 8 0 ，加权平均高4 0 左右；单位产值能耗约为发达国家的2 倍2 1 。 新型工业化是一个高度集约型、高效率的工业化过程，只有这样，才能生产 出质量高、成本低的产品，在国内外市场竞争中争得一席之地，企业才能生存， 国家才能发展。在产品成本中，能源所占比例是很大的。例如，目前我国几个主 要高能耗行业的产品成本中，能源消耗费用所占比重如下：钢铁业3 5 、石化业 4 0 、建材业4 0 5 0 、化肥业7 0 7 5 、铝业5 0 、火力发电业7 0 【3 】。这些 数据清楚地告诉我们，要想降低这些行业产品的成本，主要手段之一就是降低能 源费用，就是说在这些行业中，能源节约是企业生存和发展的关键问题。 目前，我国是世界上第二大能源消费大国，我国的能源消费已占到世界总消 费的1 0 左右，而我国的经济总量( g d p ) 只占全球经济总量的3 7 。日本、美国、 德国目前的能源利用率分别为5 7 、5 0 、4 0 ，而我国却只有3 4 ，分别比上述三 国低2 3 、1 6 、6 。目前，我国的主要产品的单耗比发达国家平均高4 0 左右， 严重影响我国产品在国际市场上的竞争力。我国在“十五”期间，计划到2 0 0 5 年，每万元g d p 的能耗降到2 2t 。( 1 9 9 9 年不变价) ，比2 0 0 0 年再下降2 0 。 这期间的节能潜力为4 亿t ，其中节煤2 亿t 以上，节电2 0 0 0 亿k w h 以上， 节油1 5 0 0 万t 以上【引。 1 1 3 发展强化传热技术的意义 强化传热技术对节能降耗，发展国民经济有着十分重要的意义。强化传热在 工程技术领域中的应用极为广泛。无论是石油、化工、冶金、动力、建材等传统 的高能耗工业，还是在空间、电子、核能等高新技术领域，都可能涉及到强化传 热的问题。以动力工业中的火力发电厂为例，蒸汽锅炉本身就是一个大型复杂的 换热器，燃料在炉膛中燃烧生成的热量需要运用多种传热方式，通过炉膛受热面、 对流蒸发受热面、过热器及省煤器加热工质，使工质汽化、过热成为能输往蒸汽 机的符合要求的过热蒸汽。此外，在锅炉尾部还装有利用排出烟气加热燃烧所需 空气预热器。在电厂的热力系统中还装有各式给水加热器、蒸汽凝结器、燃油加 热器等。在这些设备中也都存在各种各样的传热问题。换热器在上述各种工业中 不仅是保证工程设备正常运转的不可缺少的部件，而且在金属消耗、动力消耗和 投资方面在整个工程中占有重要份额【4 1 。由此可见，换热器的合理设计、运转和 改进对于节省资金、能源、金属和空间而言十分重要。 2 第一章绪论 目前强化传热技术在我国实际的推广和应用跟发达国家相比仍有一定的差 距。另外，由于强化元件的多样性和流动状态的复杂性，目前有关强化传热管的 流体阻力系数和传热准则方程都仍停留在经验和半经验的关联式水平上。具体应 用时，缺乏相应的传热关联式。正因为如此，近二十、三十年来人们一直在对传 热强化进行极为广泛的研究和探讨，力图从理论上解释各种强化传热技术的机 理，并发现更为实用和经济的强化传热技术，以便在工业上加以推广和应用。 迄今为止，国内外公开发表的关于强化传热的论文和研究报告超过6 0 0 0 篇， 获得了数百项专利，其中相当一部分研究成果已在工业领域得到广泛的应用并取 得了良好的节能降耗效果【4 】。目前，强化传热的理论和技术日臻完善，已发展成 为成熟的第二代传热技术。2 0 0 0 年，华南理工大学传热强化与过程节能教育部 重点实验室联合清华大学、西安交通大学等国内一些高校和科研院所，承担了国 家重点基础研究发展规划项目“高效节能中的关键科学问题”( g 2 0 0 0 0 2 6 3 ) ，力 图建立具有普遍指导意义的强化传热新理论，并在新理论的指导下开发第三代强 化传热技术。 1 1 4 强化传热的途径 换热器是一种用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的 装置。换热器是化工、石油、能源、动力、冶金等工业部门中应用相当广泛的用 能设备，不仅保证工程设备的正常运转，而且在动力消耗和投资方面在整个工程 中占有重要份额。据统计，在化学工业中，所用换热器的投资大约占设备总投资 的3 0 左右；在炼油厂中，换热器占全部工艺设备的4 0 左右；海水淡化工艺装 置则几乎全部是由换热器组成的【5 “j 。 由于各种换热器的作用、工作原理、结构，以及其中工作的流体种类、数量 等差别很大，为了便于研究，通常根据其某个特征进行分类。最近，随着工艺装 置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设 计的方向发展。与此同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设 计技术。当今换热器技术的发展以c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 、模型 化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系【7 】。 提高换热器综合效率、降低其寿命周期费用的最有效措施是强化传热。强化 传热技术的研究和发展中，涉及面最广和研究得最多的是对流换热强化。对流 换热是构成换热器中传热过程的基本过程，传热面两侧对流换热系数的大小， 决定了传热过程的强弱程度。对流换热是流体流过另一物体表面时对流和导热 联合起作用的热量传递过程。 就对流传热而言，传热强化技术就是当高温流体和低温流体在某一传热面两 侧流动时，使单位时问内两流体间交换的热量q 增大。从传热基本方程式 华南理工大学硕士学位论文 q = 麒乙 ( 1 1 ) 可知，扩大传热面积a 、增大平均传热温差l 和总传热系数k 均可提高传 热速率。在换热器的研究、设计和使用操作中，大多从这三方面来考虑强化传 热过程。传热强化的主要途径有： ( 1 ) 扩大传热面积a 传统的方法通常是以增加传热管数来增大传热面积，但其设备投资与传热面 积呈线性关系增加，并且设备的体积与基础设施也相应增加，这在地方狭窄、 结构紧凑的化工系统作扩容改造时也将成为关键性难题。因此，扩大传热面积 不应靠加大设备的尺寸来实现，而应从设备的结构来考虑，提高换热器的紧凑 性，用最少的材料取得最大的传热量。一般通过下述途径来增加单位体积设备 的有效传热面积：采用最合适的内外导流简结构，最大限度地消除管壳式换热 器挡板处的传热不活跃区；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；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；采用螺旋 式、板式等结构紧凑的新型换热器【6 8 1 。 ( 2 ) 增加平均传热温差l 增大传热的平均温度差也是强化传热的一种有效方法，由 l = ( 五一l ) ，l n ( 五a 瓦) ( 1 2 ) 可知：要提高l 就要增加五，减小疋。但进出口温度受到生产工艺条件 以及经济性等的限制，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。在实际应 用中，增大平均传热温差来强化传热的途径的方法只能在有限范围内采用。 ( 3 ) 提高总传热系数量 提高总传热系数以增加传热量，是强化传热的重要途径，也是当今传热强化 研究的重点。当换热器中的平均传热温差和换热面积给定时，提高换热器的传 热系数是增大传热量的唯一方法。 对此，国内外学者近年来提出了很多行之有效的方法来提高换热器的传热系 数从而强化传热。例如，采用各种强化传热元件( 管内插入物、各种强化传热管 等) ，应用新型壳程折流支承结构( 双弓形折流板、碟环形折流板、折流杆、空 心环、螺旋形折流板等) 。 1 1 5 强化传热的机理 4 第一章绪论 在上述三种途径中，提高对流传热膜系数口，不增加表面积的强化方法是强 化传热研究的主要发展方向。基本原理如下： 对流时的传热膜系数可近似表示为【9 】： , f f = t ，万 ( 1 3 ) 式中a ，为流体的导热系数，j 为层流内层厚度。 从式( 1 3 ) 可知，只要能提高流体的导热系数或减薄传热边界层的厚度， 就可以提高传热膜系数口。如果能在流动过程中不断破坏边界层，不让其得到发 展，那么传热就一定可以得到强化，这是传统强化传热措施的主要思路。由于湍 流流动和层流流动的热边界层不同，其机理也各不相同。 1 1 5 1 湍流强化 强化管内湍流的换热主要表现为强化靠近壁面流体速度近似为零的低速区 ( 层流底层) 的换热。因为大部分的热阻集中在层流底层的低速区，任何粗糙表 面或强化技术( 如螺旋内插物、线圈插入物和凸出物等) 都是通过破坏层流的方 式来达到提高换热的目的。 1 1 5 2 层流强化 层流的传热膜系数通常较低，流体速度和温度的变化分布在整个通道宽度 上。流体的自然对流换热很弱，流体传递热量主要靠流体的纯导热作用。因此， 小尺度的粗糙表面在层流中对强化传热效果不明显。常用的强化措施是产生涡流 或造成湍流。 1 1 6 强化传热的方法 由于扩展换热面积及加大换热温差常受条件限制，因此提高换热系数成为现 今强化传热技术研究的焦点。影响对流换热强弱的主要因素是流体的流动状态、 物性和换热表面的形状和尺寸等。强化传热就应针对这些影响因素采取相应的 措施。由此，可将强化传热的方法分为以下三类【l ”1 2 ： ( 1 ) 改变流体流动情况： 增加流速； 加插入物。增强流体扰动，破坏边界层从而使传热强化； 加旋流装置。旋转流动产生的离心作用使流体产生二次环流； 依靠外来能量作用。用机械或电力作用使传热表面或流体发生振动，或对 流体加声波或超声波，使其交替受到压缩和膨胀，增加脉动，或加静电场，使 在传热面附近的电介质流体加强混合作用，从而强化传热。 ( 2 ) 改变流体的物性( 流体物性对对流换热系数有较大的影响，一般导热 华南理工大学硕士学位论文 系数与溶剂比热较大的流体，其对流换热系数也大，改变的方法一般是加入添 加剂。) ： 气流中加入少量固体细粒，形成气一固悬浮系统，可大大提高流体的热容 量，提高湍流度，还可提高气体热辐射作用： 液体中加入固体细粒，类似于搅拌作用，可提高平均温度、增加层流底层 的温度梯度，从而增强传热； 蒸汽或气体中喷入液滴，产生珠状凝结或变气相换热为液膜换热，从而加 强传热； 液体中加入挥发性的添加剂。 ( 3 ) 改变换热表面情况：这是最常用的一种，也是效果最好的一种强化措 施。通过以下途径来强化传热： 增加壁面粗糙度。由于表面粗糙度引起边界层内流体的流动分离，促使传 热壁面处流体湍动程度加大，层流底层减薄或不断遭到破坏所致。同时，还可 以增加传热面积。该方法不但有利于管内受迫流动换热，还有利于沸腾和凝结 换热及管外受迫流动换热。 改变换热面形状和大小。采用各种异形管，如波纹管、缩放管和花瓣管等。 由于流体通道形状改变，流体在流动中也会不断改变方向和速度，促进湍流程 度增加，边界层减薄，从而强化传热： 改变表面结构。对金属管进行烧结、单火花加工或切削，使表面形成一层 很薄的多孔金属层而构成多孔管，可以增强沸腾和凝结换热； 表面涂层。在凝结换热时，可在换热表面涂上一层表面张力小的材料以构 成珠状凝结，有利于增大换热系数。 1 1 7 强化传热技术的选用方法 各种工业对于强化传热的具体目的和要求一般各不相同的，但归结起来，在 传热设备中应用强化传热技术的目的主要有以下几点：减小设计的传热面积，以 减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差 下工作；减小换热器的阻力，以减少换热系统的泵功率消耗。 上述目的和要求相互制约，要同时达到这些目的是不可能的。因此，在采取 强化传热技术前，必须要明确要达到的目的和任务，以及为达到这一目的所能提 供的现有条件，然后通过选择比较，才能确定一种合用的强化传热技术。 由于工业中换热器的用途各不相同，换热器中管道形式众多，换热器中工质 种类、物性以及工质流动在所处的操作r e 数区域差别很大，因而很难研究一种 普遍适用的强化传热技术，以及得出一些可确定一切强化传热技术的传热系数与 阻力的通用关联式。一般常采用下列方法解决强化传热技术的选用问题h 1 。 6 第一章绪论 ( 1 ) 在给定工质温度、热负荷以及流动阻力条件下，先用简明方法对采用 的几种强化传热技术从使换热器尺寸小、重量轻的角度进行比较。这一方法虽不 全面，但分析表明，按此法进行比较得出的最佳强化传热技术，一般在改用固定 换热器三个主要性能参数( 换热器尺寸、总阻力和热负荷) 中的两个，再从第三 个性能参数最佳角度进行比较时也是最好的。 ( 2 ) 分析需要强化传热处的工质流动方式、热负荷分布特点以及温度场分 布工况、以定出有效的强化传热技术，使流动阻力最小而传热系数最大。 ( 3 ) 比较采用强化传热技术后的换热器制造工艺问题和安全问题。最后可 定出适用于某一换热器工况的最佳强化传热技术。 1 1 8 强化传热技术分类 强化传热技术共可分为以下几种模型：热传导模型；单相自然对流模 型；单相强制对流模型；池沸腾模型；强制对流沸腾模型；凝结模 型。强化传热措施按主被动关系可分为两类：被动措施( 不需要借助外力) 和主 动措施( 需要利用外力) 。表1 1 分别列出主被动强化传热的应用。 表1 1 强化传热技术分类 被动式强化传热技术主动式强化传热技术 ( 不需要外功)( 需要外功) 表面延伸机械辅助 表面处理表面振动 粗糙表面流体振动 装配强化设施电磁场下的对流换热 加旋流装置射流冲击 表面张力设备 添加物 强化传热技术还可以按有无相变分为流体无相变的强化传热和流体有相变 的强化传热两类。在无相变的强化方法中，一般采用螺旋槽管、横纹槽管、缩 放管、内翅片管、管内加入物、或使流体产生脉动等方法；在有相变的强化传 热中，一般采用单面纵槽管、径向辐射状肋片管及锯齿形翅片管及管子表面涂层 等来强化冷凝，采用双面纵槽管、t 形管及表面多孔管等来强化管外沸腾，采用 螺旋槽纹管或整体型内翅片管来强化管内液体的沸腾等【l 。 华南理工大学硕士学位论文 1 2 管壳式换热器强化传热技术研究进展 管壳式换热器具有结构坚固、适应性强、选材广、易于制造及成本低等优点， 目前，管壳式换热器仍是石油、化工、制冷、冶金、车辆及动力等工业部门中 应用最普遍，研究最多的一种换热器。为了提高和强化管壳式换热器的传热效 率，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该类换热器的传热管 件及结构作改动，从而实现强化传热。 强化管壳式换热器的研究主要包括了管程与壳程( 管隙间两侧) 的传热强化 研究。管程的传热强化研究只需做单管的传热与流阻实验，设备较为简单，近年 来已经有了大量的研究报道，出现了各种各样的强化传热管和管内插入物。壳程 的传热强化研究由于需要做管束的传热与流体阻力实验，设备较为庞大，出现的 研究报道为数不多，这些新的管壳式换热器采用新的管间支撑物结构，新的管柬 排列方法，结合使用适当的强化传热管，使得换热器的传热与流阻性能比普通弓 形隔板管壳式换热器的传热与流阻性能有了明显的改善，在节约换热器的设备投 资、节约流体的输送功耗以及提高换热器的换热能力等方面都起了较大的作用。 现就有关强化技术分述如下。 1 2 1 管程强化传热 1 2 1 1 螺旋槽管换热器 螺旋槽管主要用于强化管内气体或液体的传热、强化管内液体的沸腾或管内 外蒸汽的冷凝。螺旋槽管是一种管壁上具有螺旋形槽的异形管，它是将光滑管在 车床上轧制而成，在管子的外表面轧成螺旋形的凹槽，管内则形成螺旋形的凸起。 图l 一1 所示为螺旋槽管的结构示意图1 1 4 1 。 螺旋槽管强化传热的机理为：流体在管内流动时受螺旋槽纹的引导，靠近壁 面的部分流体顺槽旋转；一部分流体顺壁面沿轴向运动时，螺旋形的凸起也使流 体产生周期性的扰动，前一种作用有利于减薄流体边界层；后一种作用会引起边 界层中流体质点的扰动，因而可以加快由壁面至流体主体的热量传递，如果管外 为蒸汽冷凝过程，螺旋槽成为排泄冷凝液的通道，可使凹槽两边的冷凝液膜减薄， 从而减少热阻，提高冷凝给热系数。 华南理工大学【1 5 1 和重庆大学经试验研究及理论推导，得出了单头螺纹槽管的 半经验公式。我国于1 9 9 6 年已将螺旋槽管应用于石油化工装置的换热设备u “。 华南理工大学将螺旋槽管应用于塔顶油汽冷凝，效果十分明显。将螺旋槽管应用 于压缩机排气冷却，气体走管程，使传热强化了3 倍，减少了冷却水用量，排气 温度也下降了i o c 。用于炼油厂常减压装置原油渣油换热器，总传热系数提高 1 2 1 5 倍。 第一章绪论 1 2 1 2 横纹管换热器 横纹管主要用来强化管内单相流体的传热，但它对管束外沿轴向流动的单相 流体也有强化传热作用，当横纹管水平放置时，它还可以强化管外蒸汽的冷凝传 热。横纹管加工简单，其构造如图1 2 所示【l ”。 横纹管的强化机理为【18 】：当管内流体流经横向环肋时，管壁附近形成轴向漩 涡，该漩涡增加了边界层的扰动，使边界层分离，有利于热量的传递。当漩涡将 要消失时流体又经过下一个横向环肋，因此不断产生涡流，保持了连续、稳定的 强化作用。此外，由于涡流主要在管内壁附近形成，对流体的主流影响很小，所 以不会产生流体主体较大的能量损耗，因此横纹管的流体阻力较之相同节距与槽 深的螺旋槽管要小些。 华南理工大学【”1 对横纹管进行了试验研究，结果表明其性能比螺旋槽管好， 在同样传热效果下，阻力增加的也比螺旋槽管少。1 9 8 7 年茂名石化公司炼油厂 选用了两台f b 一8 0 0 1 8 0 一4 0 2 i i 型横纹管换热器，用作原油一渣油换热器，运行4 年半后经工厂标定，在压降相近的情况下，比光管换热器的总传热系数提高8 5 ， 在相同负荷时，可节约4 0 的换热面积，而且基本无结垢和腐蚀现象f 2 。 图1 1 螺旋槽管结构示意图 f i g 1 - 1 s t r u c t u r a ls c h e m eo f s - t u b e 图1 2 横纹管结构示意图 f i g 1 - 2s t r u c t u r a ls c h e m eo ft r a n s v e r s a l l y c o r r u g a t e dt u b e 1 2 1 3 管内插入物 用插入物强化管内单相流体传热，尤其是对强化气体、低雷诺数流体或高粘 度流体的传热更为有效。各种插入物强化传热的机理一般可分为四种【l 8 2 l 】：形 成旋转流；中心流体与管壁流体产生置换作用；破坏边界层；产生二次流。 管内插入物很多，有螺旋线、扭带、错开扭带、螺旋片和静态混合器等。华 南理工大学与中国石化北京设计院合作研制的交叉锯齿形内插件，是在对1 2 种 内插物( 在r e = 3 0 0 3 5 0 0 和p r = 1 3 5 范围内) 进行比较研究后得出的一种优选型 式。它可直接形成流体的混合，尤其适用于高粘度流体的换热。在金陵石化公司 炼油厂及上海石化乙烯厂的常减压装置的换热器中应用，节能效益显著1 2 ”。朱冬 生2 3 发明的交叉梯形波带( 简称c t 插入物) 特别适用于高粘度和超高粘度的流 体强化传热。通过引导和置换流体产生扰流但不产生离心力，依靠波浪斜板使中 9 华南理工大学硕士学位论文 间流体移置壁面，壁面流体移置中间，促使边界层产生扰流，其防垢和强化传热 性能优于其它形式的插入物【2 4 1 。 英国c a lg a v i n 公司研制出了一种由一组延伸至管壁的圆芯体组成的被称为 h e a t e x 的内插件，可使管程传热效率提高2 1 5 倍【2 5 1 。该公司还开发了一种叫 h i t r a n 的丝网内插件，用于液体工况时可使管程传热效率提高2 5 倍；用于气体 工况时可使相应值提高5 倍【2 。 1 2 1 4 波纹管换热器 波纹管式换热器截面呈周期性变化，使管内外流体总是处于规律性的扰动状 态，流体在管内周期性的能量积累与释放使整个换热器内表面都受到流体冲刷， 由于冲刷良好，不易形成污垢层，从而使换热系数得到提高，换热器能够实现长 期而稳定的强化传热，其k 值较光管式提高2 3 倍2 7 1 。 1 2 2 壳程强化传热 传统的管壳式换热器，流体在壳侧流动存在着转折和进出口两端涡流的影响 区，影响了壳程的传热系数。壳程的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。 1 2 2 1 折流杆换热器 折流杆换热器( r o db a f f l eh e a te x c h a n g e r ) 是上世纪七十年代初美国p h i l i p 石油公司首创的一种管壳式换热器。它是一种以折流栅代替折流板的换热器，它 由排布的支撑杆形成一系列的壳程折流，每副单一的折流栅的主要构件包括支撑 杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆。支撑杆杆端均焊接在圆环折流 环上，采用4 种不同布置方式的折流栅构成折流栅组【2 引。折流栅网架结构如图 1 - 3 所示。 相比传统的弓形折流板换热器，折流杆换热器具有抗管子振动性能好、壳程 传热系数高、壳程流动压降低、抗结垢能力强等优点。传统的管壳式换热器由于 折流挡板的作用，在流体流动的过程中，形成许多死区。而折流杆换热器管束中 基本不存在死区，也就充分利用了传热面积；另外，流体流过折流杆( 圆杆) 后 在其两侧交替产生和脱离旋涡，且流体流过折流栅时流通截面缩小，之后又扩大， 从而产生文丘里效应，从而使流体对管壁形成较强烈的冲刷，减薄了传热边界层， 也就强化了壳程传热。因此，折流杆换热器具有较高的壳程传热系数。而且流体 在折流杆换热器的壳程中平行于管子流动，流动阻力较小，没有传统换热器中的 往复折流，因此折流杆换热器具有较小的壳程流体阻力损失。 1 0 第一章绪论 图1 3 折流栅网架结构 f i g 1 - 3s t r u c t u r eo fr o db a f f l e b 折漉廿 华南理工大学在八十年代对此种换热器也做了系统的研究雎扪。事实表明，折 流杆式换热器不但能防振，还提高了管间的给热系数，增加了介质的湍流性，防 止了介质流动短路。这种结构还能强化壳侧的传热，与普通折流板换热器相比， 在湍流时( r e 大于或等于2 5 1 0 4 ) ，给热系数增加了1 3 ，压降下降了3 5 左右， 壳程的传熟综合性能a a p 增加5 0 以上，在相同的压降时可以大大强化传热。 1 2 2 2 纵流管束换热器 德国g r i m m a 公司制造出一种整圆形折流板换热器，其结构为折流板上开横 排管孔，以4 个孔为一组将管桥处铣通，壳侧流体在管桥处沿着轴向流动，避免 了流体因转折引起的滞留区。该公司用不同粘度的甘油和水混合物进行实验，结 果表明在中低粘度范围内，纵流管束换热器传热效果明显优于传统的圆缺形折流 板换热器。 另外，采用强化壳程的方法还有：采用蛙式、倒蛙式折流板，以增大壳侧流 体的流速，并形成流体的旋转运动；增加列管式换热器的管程数和壳程中挡板数； 改进管子排列方式；优化介质流速；设法造成压力的波动；应用新型壳程折流支 撑结构如双弓形折流板、三弓形折流板、螺旋形折流板、整圆槽孔支撑板、齿卡 带支撑、波网支撑、杆式或条形支撑和空心环支撑等 2 ”。 1 3 几种典型强化换热管的介绍 华南理工大学从7 0 年代起对强化传热元件的开发做了较多的研究，拥有许 多的专利产品，取得了骄人的成绩，开发研究的强化换热元件包括螺旋槽管、 横纹管、缩放管、大导程多头沟槽管、整体双面螺旋翅片管以及管内插入物； 相变传热强化冷凝传热的有锯齿型翅片管、凹面锯齿型翅片管、低螺旋翅片管、 径向辐射槽管等；强化沸腾传热的有烧结型表面多孔管、机械加工表面多孔管、 华南理工大学硕士学位论文 t 型翅片管、e c r - - 4 0 管等：强化多相流传热的有整体型多头内螺旋翅片管、 错齿型翅片管等3 0 1 。表i - 2 分别列出其中部分典型强化管的强化效果。这些管 类至今已在石化行业、硫酸行业、氮肥厂、制冷系统、电力系统得到了广泛的 应用，取得了很好的经济效益和社会效益。本文就其中几种典型的强化换热管 进行简单介绍。 1 3 1 表面多孔管 由美国联合碳化公司首先开发出来的烧结表面多孔管，是采用烧结法或机加 工法在普通金属管表面上敷上一层多孔性金属层。因为表面的小孔形成了很多的 汽化核心，一方面容易形成气泡，另一方面气泡长大脱离后，气泡核仍留在孔 穴处长成第二个气泡，大大降低了液体沸腾所需的过熟温度，所以能显著强化沸 腾换热过程。 剖视图俯视图 图1 4 机械加工表面多孔管示意图 f i g 1 4s c h e m eo fm e c h a n i c a l l yp r o c e s s e de t u b e 北京化工研究所研究发现，表面多孔管能显著地强化沸腾换热；可以在很小 地温差下维持沸腾、其临界热负荷比普通管要高很多，当用于重沸器时，换热系 数比光滑管要提高3 5 倍。中石化北京设计院曾将其用于九江炼油厂气体分馏装 置中的丙烯塔系统，作为塔顶冷凝一蒸发器，使传热系数增加1 4 倍，换热面积 减少5 0 t 3 1 1 。同时，表面多孔管还具有良好的抗污垢性能，能够长期运行。制造 表面多孔层的方法主要有：烧结法、机械加工法、火焰喷涂法、电镀法等。图i 一4 所示为机械加工表面多孔管的示意图。 1 3 2t 形翅片管 t 形翅片管( g e w a - t 管或简称t 管) ，是1 9 7 8 年西德的w i e l a n d w e r k e 公司 发明的一种强化管。由于其加工简便和具有良好的沸腾传热性能，已经成为近年 来国际上主要的沸腾强化管之一【3 2 q 3 1 。t 管能够显著提高沸腾给热系数。 曹一丁 3 4 1 对线切割加工的t 形结构表面进行了沸腾传热研究，认为t 形表 面的传热主要是隧道内的液膜蒸发。隧道内的蒸汽依靠压力的升高克服液体的静 第一章绪论 压力和开口狭缝的