（化学工程专业论文）多种新型管壳式换热器的壳程传热强化问题研究.pdf

摘要 摘要 研究管壳式换热器壳程的强化传热问题对于提高换热器的用能效率和降低工业 部门的能耗具有重要意义。近二十多年来，国内外管壳式换热器的强化传热技术己 获褥了较大的发展，其中可分为两大发展方向，是强化传热管的发展，二是壳程 结构的发展。就强化传热管而言，目前国内外己研制开发出的各类强化传热管有数 十种之多，例如各类变径异形管及各类翅片管等。壳程结构的发展方面，有在传统 弓形板的基础上进行改进的结构形式，如在弓形板之间加一块或多块平行流分隔板 等，也有螺旋折流板、空心环网板、折流栅板等新型的结构形式。各种强化传热技 术的不断问世极大地提高了传统管壳式换热器的传热与流阻性能，其中部分还处于 理论研究或实验室研究阶段，部分研究成果已经成功地应用于工业系统中，取得了 良好的节能降耗效果。 本文中设计、制造了种螺旋折流孔板菱形翅片管换热器，并以柴油为工质， 对这种新型换热器的传热与流阻性能进行实验研究。研究结果表明，在雷诺数 3 2 8 0 r e 1 2 6 8 0 范围内，相同雷诺数下这种新型换热器的壳侧传热膜系数与螺旋折 流孔板光滑管换热器相比提高了5 4 1 0 8 ，而流阻系数则降低了3 0 5 ，这 是由于在这种换热器的壳侧，流体呈螺旋流动，面三维菱形翅片又可以提高流体湍 动的结果。本文还根据实验数据进行回归分析，建立了可供工程应用参考的传热与 流阻准数关联式。 任何一种新型管壳式换热器的性能优劣必须从多方面来综合评价，本文中利用 一个评价换热器强化传热性能的准则通式对螺旋折流孔板菱形翅片管换热器进行了 综合性能评价。评价结果表明，该换热器的综合传热性能远优于螺旋折流孔板光滑 管换热器，在高雷诺数下尤其适用。 本文中设计、制造了一种空心环网板支承菱形翅片管的新型油冷凝器，并以柴 油蒸气为工质，对这种新型油冷凝器的冷凝传热性能进行了实验研究。研究结果表 明，在实验范围内，相同热负荷下这种新型油冷凝器的总传热系数和壳侧冷凝传热 膜系数分别比空心环光滑管冷凝器提高了4 9 6 0 和5 8 7 3 ，具有较好的冷 凝传热性能，而且由于钢制菱形翅片管的加工制造成本相对较低，应用于石油、化 工等工业领域可降低设备一次性投资和运行能耗。 根据菱形翅片管的结构及流动与冷凝传热的特性，本文提出将菱形翅片管外冷 凝分为翅片段和光管段两部分，并对两部分分别进行流体流动与传热分析，建立了 菱形翅片管管外冷凝的准三维数学模型。 华毫瑾工大学工学薅学德论文 本文对轴流式双壳稷缩放管管壳式换热器的液一液传热强化及流阻性能做了工 娃纯试验，流体介质为三甲苯工作渡及水。这种新戳换热器的绪辆方式解决了液一液 零壳程轴流式换燕器长校跑过大鞠问戆，链在合逶豹长径魄下 受入工韭纯应爝，满 足工程要求，具有占地少的优点；并且由于采用了双面强化传热的缩放管柬，可对 双侧流体同时强化，与传统的管壳式换热器相比，总传热系数掇高了4 3 7 ；同时， 瘫予暴瑗了炎疆毒蠢渡绝稳，袁铡匿辫穗毖传统按熬器降低了1 8 。 荚键词：强化使热，管蠢式换热器，竞程，菱形翅片管，数学模囊 l l a b s t r a c t i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et oe n h a n c eh e a tt r a n s f e ro fs h e l l - - a n d - t u b eh e a te x c h a n g e rt o i m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c y a n dd e c r e a s e e n e r g yc o n s u m p t i o n i n i n d u s t r i e s r e c e n t l y , e n h a n c i n gh e a tt r a n s f e rt e c h n i q u ef o rs h e l l a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r sh a sa c q u i r e dm u c h d e v e l o p m e n td o m e s t i c a l l ya n do v e r s e a s ，a n di sd i v i d e di n t ot w od i r e c t i o n s ，o n eo fw h i c hi s t h ed e v e l o p m e n to fh e a tt r a n s f e re n h a n c e dt u b e a n dt h eo t h e ri st h ed e v e l o p m e n to fs l l e l l s t r u c t u r e t h u sf a r , t h e r ea r e a l t o g e t h e r t e n so ft y p e so fh e a tt r a i l s f e re n h a n c e dt u b e s d e v e l o p e db yd o m e s t i ca n d o v e r s e a sr e s e a r c h e r s s u c ha sa l ls o r t so fa b n o r m a ls h a p e dt u b e s a n df i r m e dt u b e s + a sf o rs h e l ls t r u c t u r e ，t h e r ea r ei m p r o v e ds t r u c t u r a lf o r m sf r o mt r a d i t i o n a l s e g m e n t a lb a f f l e ，f o re x a m p l e ，s e g m e n t a lb a f f l e s 、v i mo n eo rm o r ea d d e dp a r a l l e lf l o wb a f f l e p l a t e s ，a l s om a n yn e w s t r u c t u r e ss u c ha sr o d * n e t ，h e l i c a lb a f f l ea n dr i n g - n e ta p p e a r t h e s e e n h a n c i n g h e 蘸t r a n s f e r t e c h n i q u e sg r e a t l yi m p r o v e d 8 鲑i r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c e p e r f o r m a n c eo f v a d i f i o n a ls h e l l a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r s s o m eo f w h i c h 涨s t i l l i nt h e s t a g e o ft h e o r e t i c a lo rl a b o r a t o r yr e s e a r c h ，s o m eo t h e ra c h i e v e m e n t sh a v eb e e n a p p l i e d i ni n d u s t r i e s a n da c h i e v e d e n e r g y c o n s e r v a t i o na n d c o n s u m p t i o n r e d u c t i o ne f f e c t i v e n e s s 。 a t y p eo f h e l i c a lb a f f l e dh e a te x c h a n g e rw i t hl o z e n g ef i n n e dt u b e sw a sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e di nt h i sp a p e r t a k i n gd i e s e lo i la sw o r k i n gf l u i d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no n h e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo ft h i sn e wh e a te x c h a n g e rw a sc a r r i e do u t r e s u l t si n d i c a t e dt h 越，w i t ht h er en u m b e rr a n g ef r o m3 , 2 8 0t o 1 2 ，6 8 0 ，h e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ti ns h e l ls i d eo ft h i sh e a te x c h a n g e rw a s5 4 1 0 8 h i g h e rt h a nt h a to fh e l i c a l b a f f l e dh e a t e x c h a n g e rw i ms m o o t ht u b e s u n d e rt h es a m er en u m b e r , w h i l et h ef l o w r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ti s3 0 - 5 l o w n e r , w h i c hi sd u et ot h er o t a t i o n a lf l o wo fs h e l ls i d ef l u i d a n dt h et u r b u l e n c ei n c r e a s eo w i n gt o3 - d i m e n t i o n a ll o z e n g ef i n s h e a tt r a n s f e ra n df l o w r e s i s t a n c ec o r r e l a t i o n sw e r ea l s ob u i l tb ye x p e r i m e n t a ld a t a ，w h i c hp r o v i d e sr e f e r e n c ef o r e n g i n e e n n ga p p l i c a t i o n m a n ya s p e c t sm u s tb e t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o nw h e ne v a l u a t i n gp e r f o r m a n c eo fan e w t y p eo f h e a te x c h a n g e ni n t e g r a t ep e r f o r m a n c eo ft h en e wh e l i c a lb a m e ( ih e a te x c h a n g e rw a s e v a l u a t e du s i n gag e n e r a le v a l u a t i n ge q u a t i o no nt h eb a s i so f t h ec o r r e l a t i o n s ，w h i c hi n d i c a t e d t h a tt h ei n t e g r a t ep e r f o r m a n c eo ft h eh e a te x c h a n g e ri so b v i o u s l yb e t t e rt h a nh e f i c a lb a f f l e d h e a te x c h a n g e rw i t hs m o o t ht u b e s ，a n de s p e c i a l l ya p p l i c a b l eu n d e rh i g hr en u m b e n an e w t y p eo f o i lc o n d e n s e rw i t hl o z e n g ef i n n e dt u b e ss u p p o s e db yr i n g - n e t sw a sa l s o b r o u g h to u t 。t a k i n gd i e s e l o i l v a p o ra sw o r k i n gf l u i d , a ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no n c o n d e n s i n gh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h ec o n d e n s e rw a sc a r r i e do u t + e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n s o u t hc h i n au n i v e 据i t yo f t e c t m o l o g yd o c t o r a ld i s s e r t a f i o n i n d i c a t e dt h a t ，w i t h i nt h ee x p e r i m e n tr a n g e ，t h et o m h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dc o n d e n s i n g h e a tt r a n s f e rf i l mc o e f f i c i e n ti ns h e l ls i d ei s4 9 6 0 a n d5 8 - - 7 3 h i g h e rt h a nt h o s eo f r i n g - n e ts u p p o r t e dc o n d e n s e r w i t hs m o o t ht u b e sr e s p a c t i v e t y f u r t h e r m o r e d u e 轮r e l a t i v e l y l o w e rm a n u f a c t u r i n gc o s to fs t e e ll o z e n g ef i n n e dt u b e ，t h en e wc o n d e n s e ri sf a v o r a b l ew h e n a p p l i e di np e t r o l e u m a n dc h e m i c a li n d u s t r y a c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r ea n d c o n d e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c so n e x t e m a ls u r f a c eo f l o z e n g e f m n e dt u b e ，t h ec o n d e n s a t i o no ne x t e r n a ls u r f a c eo ft u b ew a sd i v i d e di n t ot w o p a r t s ，n a m e l y f i n n e ds e g m e n ta n ds m o o t hs e g m e n t o nt h eb a s i so fa n a l y s i so nc o n d e n s a t ef l o wa n db e a t t r a n s f e ro ft h ep a r t s ，3 - d i m e n s i o n a im a t h e m a t i cm o d e lo fc o n d e n s a t i o nf o rl o z e n g ef i n n e d t u b ee x t e r n a ls u r f a c ew a sb u i i t ， a ni n d u s t r i a lt r i a lo n l i q u i d - l i q u i d h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n df l o wr e s i s t a n c e p e r f o r m a n c eo f s h e l l - a n d - t u b eh e a te x c h a n g e rw i t i la x i a lf l o wp a s s i n gd o u b l es h e l la n dc - d 论kb u n d i ew 珏sa l s oc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r 强es t r i c t u r ef o r mo ft h i st y p eo fn e wh e a t e x c h a n g e rd e c r e a s e d t h er a t i oo f l e n g t ha r i dr a d i u so f s i n g l e - s h e l ll i q u i d - l i q u i dh e a te x c h a n g e r a n dc o u l dm e e te n g i n e e r i n gd e m a n d s d u et oe n h a n c e m e n to fb o t he x t e r n a la n di n t e r n a l s u r f a c eo f c - dt u b e t h et o t a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a si n c r e a s e db y4 3 7 c o m p a r e dw i 证 t r a d i t i o n a ls h e l l - a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r , w h i l ep r e s s t t r ed r o pi ns h e l ls i d ew a sd e c r e a s e db y 18 k e y w o r d s ：e n h a n c i n gh e a tt r a n s f e r ；s h e l l - a n d - t u b eh e a t 扛a n s f e r ；s h e l l ；l o z e n g ef i n n e dt u b e ； m a t h e m a t i cm o d e l i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本a 郑重声羁：所呈交豹论文是本人在寻舞韵指警下独立进行褥 究所取得的研究成果。除了文中特n ；0 1 1 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晶。对本文的研 究救蠢重簧贡献酶个人和集俸，均已在文中以明确方式标鞠。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：圣乡劫酝 e t g q ：2 。0 3 年5 胃l 。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， 同意学校傺留荠向莺家有关部f 1 戏枫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 攥等复囊4 手段保存稠汇编本学位论文。 保密口，在年解密霜适用本授权书。 本学位论文属于 不保密匿。 ( 请猩以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：专垂茈谑岔霾絮：协嚏年6 箕哆蠢 作者签名：妻嗡谑搬霾絮：协；年b 箕哆蠢 导师熬名：仰缸和 日期：1 力哆年b 月f j 曰 物理量名称及符号表 物理量及符号表 传热面积，m 2 ；流通截面积，坍2 管壁厚度，m ；液面高度，m 螺旋间距，m 比热，j ( k g 。c ) 常数 传热管直径，m 当量直径，坍 板孔直径，m 阻力系数 重力加速度，m s 2 沿程阻力 翅高，m 电流强度，爿 总传热系数，州( m 2 - k ) 传热管长，矾；湿润边周长，l l q 沿径向管束布管圈数；幂指数 传热管根数；幂指数 沿径向管心线上第，圈的布管根数 压力，p a 螺旋流一周的压降，p 口 壳侧总压降，尸 功率， 热流密度，坍2 传热量， 半径，m 管壁内侧表面上的污垢热阻，( 坍2 。c ) w 管壁外侧表面上的污垢热阻，( m 2 oc ) w 管壁表面积，m 2 平均管心距，坍 温度，。c 饱和温度，。c 壁面温度，o c v 6 曰 c d以以厂g，k上 坍 h m p 印印p g q r b 砖s ，r t 0 华南理工大学工学博士学位论文 a 乙 “ u 矿 k k 虻 x ，y z 希腊字母符号 对数平均温差，。c 流速，m s 电压，y 体积流量，m 3 s 总流量，m 3 s 主流量，m3 s 质量流量，k g s 流体输运功耗，彤 直角坐标系坐标 传热膜系数，沏2 世) 翅片夹角，t a d 液膜厚度，n q 界面处的液膜厚度，m 电势差，y 翅片沟槽与管轴方向的夹角，r a d 潜热，i ， 泄流量修正系数 导热系数，w f m k ) 动力粘度系数，p a - s 卺霞，k g | 甜 极角，t a d 运动粘度系数，m 2 s 板孔与管壁环隙间泄流的阻力系数 无量纲准则数 地 n u s s e l t 数，n u ：- d h p rp r a n d t l 数，p r ：半 r er e o l d s 数，r e ：u a p 研 s t a n t o n ，= 而n u v i 盯卢占吭占 p y 7 兄 p p 口 u f 物理量名称及符号表 下标 冷却水 翅片管 气体 管内或进口 滚傣 平均 管外或出口 光管 蒸气 i e g f 撼 d s v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本研究课题提出的背景及课题来源 能源是国民经济的命脉，与人民生活和人类的生存环境休戚相关，在社会可 持续发展中起着举足轻重的作用。由于世界能源资源储量有限，而能耗却呈几何 级数增长，加上能源造成的环境问题越来越严重，因此人类面临着世界范围内的 能源问题。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1 1 。 由于能源问题日益突出，不仅是中国，就世界范围而言，节能已经成为解决 当代能源问题的一个公认的重要途径。我国于1 9 9 8 年1 月1 日起正式实施的中 华人民共和国节约能源法更是将节能赋予了法律地位。节约能源法指出，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。为了加强能源工作，在最近召开的国务院常务会议 上，国家发展和改革委员会还增设了能源局。 提高用能设备的能源利用效率，直接减少能耗和能源消费系数值的技术节能 方法是实现节能的重要途径之一。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；在热电厂中，换热器的投资约占整个电厂总投资的7 0 左右；海 水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的1 2 - 3 1 。 在各类换热器中，管壳式换热器具有其固有的优势，加之近年来又获得了较 大的发展，所以目前仍是各种能耗工业中应用最普遍的一种。以石油、化工行业 为例，管壳式换热器在换热器中占了高达7 0 的比例。因此，研究管壳式换热 器的强化传热问题对于提高换热器的用能效率和降低x _ l k 部门的能耗具有重要 意义。近二十多年来，国内外管壳式换热器的强化传热技术已有了较大的发展， 其中可分为两大发展方向，一是强化传热管的发展，二是壳程结构的发展。就强 化传热管而言，目前国内外己研制开发出的各类强化传热管有数十种之多，例如 各类变径异形管及各类翅片管等【4 q 】。壳程结构的发展方面，也出现了多种新型 的壳程结构形式。例如，美国菲利浦石油公司七十年代开发的折流杆管壳式换热 搿辩理工大学工学媾：b 学位论文 器坤j ，美翻国际石酒公司及纛出都化学工监公司等目前普遍使羽豹双弓与碟环等 折流隔撇管壳式换热器 7 1 ，9 0 年代邓先和等提出的空心环管壳式换热器1 8 1 ，a b b 公司率先推出的螺旋折流檄镎壳式换热器【9 1 ，带平行流分隔板的铃壳式换热器1 1 0 1 等。这些新型壳程结构形式和强化传热管的闯馓极大地提高了馋统管壳式换热器 夔黉热与浚疆瞧韪，其中聱分疆究藏票已经袋麓遵应爱予工数系统中，取褥了舞 驽静节戆降耗效果。但楚，觚整个工监瘟髑寐溪，这些薪墼按热嚣还没有得虱广 泛推广，冀应用潜力还有待于进一步挖掘。例如，尽管由于螺旋折流板换热器具 有优良的性能而在近年来引起了世界多国学术界和企业界的高殿重视，也有报道 l j 表明螺旋折流板换热器糍中东、日本、美圈等国家的石化行般得到应用，但 由于按拳僚密等方瑟翡琢鞭，寒戆捡索到稳关靛详细文鼓。在黧内，对于螺旋掰 流援换热器的研究基本上遗处予理论和实验察褥究及工盈盔瑙豹秘始酚段。又翻 如，自第一台空心环管壳式拽热器诞生以来，已成功地在全国1 2 个省5 0 多个厂 家及高能糕工业系统中应用，节能降耗效果j e 常显著，其应用领域涉及硫酸、石 化、压缩机等行业 1 2 1 ，但纵观其应用场合，除了用于气体换热就是液体换热， 迄今为丘瀚无应用于诸熟凝络换热等有辐交羧热场合的先饿。究麓蒙因，一是由 于对这黧耨鍪换熬器筑蓥獭理论与实验磅究还不够深入，获乏一臻能够捂导工程 应用的理论和可以参考的撼础数据，所以斑阁范围有限或者根本无法在实际中应 用；再者，对于这些新型巍程结构形式，以往一般都是与普通的光滑管束结合使 用，近年来最然也有人将其与强化管结合使用，但由于强化管的种类繁多，并且 不断有凝戆强证管型出现，骥姥在强忧传热管窳与壳程结梅鲍傀优组合磅究上也 有待予遴一多搽谤。由予缺乏这方覆静磅究，瓮往强往簧熬簧裘藏不麓充分遮发 挥出在管柬问的传热强他佟用。例如采嫣双弓溅碟环折流隔板囊承缩放型强纯管 束，由于折流隔板对流体的形体阻力大，远远超过强化管粗糙肋面对流体的摩擦 阻力，故管间支承物消耗了淹程流体的绝大部分压降，而使用于强化管粗糙肋面 上静流体滚动功所剩很少，皴难以利用强化管蛉粗糙肋面促进传热赛珏上的流体 滚滚菠，不髓穰磐发挥窭强纯营瓣砖熬强纯箨瘸。换熬器壳程绦稳鹣发震，爨然 与强化传热管的优化组合栩联系，这是今意抉热器强化传热技术发展的方向。 正是猩这样的社会及学术背景下，提出了本文研究的课题一一多种新型管壳 式换热器的壳程传热强化问题研究。恰逢本世纪伊始，华南理王大学传热强化与 过程节畿教育部重点实验璧联合清华大学、谣寂交通大学等国内一些高校和科研 院囊，零疆7 国家重点慕磁碜 究发震蔑到瑗嚣“裹效节裴孛麓关键辩学阉嚣” ( g 2 0 0 0 0 2 6 3 ) 。本文中酌部分研究内容是该礤唇予课题静部分，得至l 了该顼 目的资助。本文中的另一部分内容得到了教育部重点研究项目( 0 0 1 0 3 ) 和中石 化集团公司的研究项目的资助。 2 第一章绪论 1 2 本文的研究内容 本文磺突多魏瑟鍪游轰式揍热嚣茨轰程簧热强纯运送。在足静瑟型轰程缝麴 形式中，邋褥于壳程流体轴向冲捌静束的有折流杆和空心环等管闽支承方式，适 用于斜向冲刷管束的脊螺旋折流板簿支承方式。近年来开发出的新型强化传热管 秘类繁多，鼹有二维和三维的翅片络构，也有逡续和菲连续的翅片结槐，传热管 稳材震方甏凝有镉质豹瞧有钢渍酌，本谋蘧静磷究中籍选羹；蒸中豹缩教瓣和笔者 所在实验赛最新研制出的钢制三维夔形翅片管两种强化管型。本研究课题涉及螺 旋折流孔板支承、空心环支承、折流杆支承等多种新型壳程结构与不同的强化管 銎结合弱营壳式换热器，聂有摹籀浚，遣毒零辐滚：囊套撰论努辑帮实验磅突， 也有工业仡试验。 具体而畜，本文的研究内容大致包括以下几部分： ( 1 ) 滋蘩潼为工溪，鹾究螺凌辑滚建教菱澎蘧片管管悫式挨燕爨戆麦筏砖 热与流阻性能，建立可供工程应用考的传热与流阻准则关联式，并从趣论上分 析螺旋折流孔板管壳式换热器强化传热的机理，此为本文第二章的内容； ( 2 ) 在舞三章中，导出一个译价管壳式换热嚣强优传热综合性能靛暹愚公 式，著穗蠲该评价方法麸三个不蕊侧面对螺旋糖流孔板菱形翅片管换熟器豹练合 性能进行评价； ( 3 ) 以柴油蒸气为工质，研究空心环支承菱形翅片管油冷凝器的冷凝传热 往篷，算麸淫论上分掇蒸强诧簧熟瓣撬理，这蔻本文第嚣章豹肉褰； ( 4 ) 在第五章中，从菱形翅片管的结构特点出发，对空心环菱形翅片管油 冷凝器的凝结换热强化问题进行理论研究，针对菱形翅片管外冷凝换热的特点， 建立管羚平均冷凝传热黢系数静数学模型； ( 5 ) 觳后，对耪折流耔支承强纯管静轴流式双壳稳缡敖管管壳浅换热器 进行工业化试验，研究其在工业中实际应用的传热与流阻性能，并分析其强化传 热机理，此为本文第六露。 现对目前国内外强化传热技术以及管壳式按热器的发展现状结合本研究课题 概要阐述。 1 3 文献综述 1 3 1 强化传热技术概述 强纯鼹稳援寒是2 0 整纪6 0 年稳蓬勃发袋越来豹一耱敬蔫传热注裁翡先遽稀 学技术卦。强化传热的主要内容熄采用强化传热元件、改进换热器结构，从而 华南理工大学工学博士学位论文 缩小设备尺寸、提高热效率、降低设备的投资和运行费用，或使受热元件得到有 效的冷却、保证设备安全运行 1 4 】。 自从上世纪7 0 年代初发生世界性能源危机以来，随着现代工业的飞速发展， 能源紧张的状况愈演愈烈，能源费用在制造成本中所占的比率迅速增大：另一方 面，能源问题与人类环境和健康也密切相关。因此，世界各国确定了支持发展高 效能源技术和利用再生能源的方针，我国政府也制定了“节能优先”的能源战略， 从而实现能源的可持续发展【l 卜1 6 】。因此，采用强化传热技术从而降低能耗无论 是对工业生产企业还是对整个人类来说都显得至关重要。 随着大规模集成电路集成密度的不断提高以及导弹、卫星和军用雷达对高性 能模块和高可靠大功率器件的要求，电子器件的冷却问题越来越突出。例如，在 8 0 年代中期，每一个芯片上就已有1 0 6 个元件，虽然每个元件的功率很小，但这 样高的集成度使热流密度高达5 1 0 5 w m 2 ，它已相当于飞行器返回大气层高速 气动加热形成的高热流密度【1 7 。如果这些热量不及时带走，电子器件的性能和 可靠性就会大大下降甚至造成安全隐患，这也涉及到强化传热的问题。 实际上，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。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i l 8 1 。 由于世界能源资源的储量有限以及人们生活水平的不断提高，不断向强化传 热提出新的要求，因此强化传热研究的广度和深度日益扩大并向新的领域渗透和 发展。强化传热的发展表现出高速度、实用性以及不断迎接高技术发展的挑战等 三个突出特点。强化传热的理论和技术日臻完善，己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。 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。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，使单位时间内两流体间交换的热量q 增大。从传热基本方程式 q = k 。彳乙 ( 1 1 ) 第一章绪论 可知，扩大传热面积a 、增大平均传热温差l 和总传热系数世。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。因某些措施对传热的强化功能同时在上述二、三种途径中发挥作用( 如 采用轧槽管同时具有扩大传热表面积和增大总传热系数的功能) ，故具体的强化 技术在传热强化途径( 方法) 中的类别划分不很严格，通常将其归类于起主要 作用的途径( 方法) 。 ( 1 ) 扩大传热面积 通过扩大传热面积增加换热量是强化传热的一种有效途径。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 料费取得最大的传热量。一般通过采用扩展表面的方法来增加单位体积设备的 有效传热面积，如在对流传热系数较小一侧的热传递基本面上附加翅片、筋片、 销钉等i j j 。 ( 2 ) 增加平均传热温差 增大传热的平均温度差也是强化传热的一种有效方法，但受到生产工艺条 件以及经济性等的限制，其主要措施是通过对传热面的合理布置，尽量使冷热 流体逆流或接近逆流。因此，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 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。 传统的管壳式换热器一般是采用提高管程或壳程的流体流速“来增大丘。， 但这种方法需要付出较高的代价。咀充分湍流条件的对流换热为例，世。与“的 关系近似有k 。c “o8 ，流动压降尸与“的关系近似有po c “2 ，这表明足。要提高 l 倍，流阻要增加约3 倍以上，其原因在于流体传热的阻力主要集中在管壁的传 热滞流层中，简单地提高流速会大大增加管中心区流体的湍流度，消耗流体输 送功，而对减薄管壁的传热滞流层厚度作用不太显著，结果只能以较高的能耗 代价换取较低的k ，值增幅。 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 华南理工大学工学博士学位论文 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、螺旋形折流扳等) 。 关于各种强化传熟元件和新型壳程结构，本文随后将有详细阐述。 1 3 2 国内外强化传热元件的研究 透三卡年寒，到爱管悫臻入魏强纯管蠹艨淡程务琴孛粳糕麓瑟鼹送滚滚戆绩熬 强化研究很多，国内外各类强化传热元件有近百种，我国石油、化工、动力等 二 业行渡迄正在逐步捺广强纯型换热设各，在空调剁冷行蝗强纯换热器更是已 经普遍使用。这些新型强化传热技术所用的强化传热的元件，有的利用流体置 换戆照理，有的裂用糖糙默蘸促进滚体边器层的漆滚度、强他逑爨层传热的器 理，都获得了良好的传热强化效果【8 ，1 9 2 0 1 。 蓠蕊赝提刘鲍强化捷热元件，毒的只适瘸于特定的传热分质和传热过程，有 的则对所有对流换热状态都有不同獠度的强化作用。下面按单相流的传热强化、 沸腾传热强化以及冷凝传热强化分类介绍这些强他传热元件。当然，袁些强化 传热元件可能既可强化无相变的也可强化肖相变的传热过程，在此归入其主要 适用范围之列进行阐述。 1 3 2 ，1 单相流的传热强化 1 管内插入物用管内插入物躐亿管肉单相流体传熟，尤其麓对强化气诲、 低雷诺数流体或高粘度流体的传热鼹为有效。各种捅入物强化传热的机理般可 分为翻种i 4 ，2 1 j ；形成旋转流；中心流体与管壁流棒产生置换俸焉：酸坏边舞层； 产生二次流。 管内插入物很多，如螺麓线、慧带、锴开褪带、螺旋靖稻静态混合嚣等。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 帮p r = 1 3 5 范围内) 避孝亍跑较研究后褥蠢翡一释侥选鹜 式。它可直接形成流体的混合，尤其适用于高粘度流体的按热。在金陵石化公司 炼涵厂及上海石讫乙浠厂的鬻渡压装嚣翡羧蒸器中应露，节麓效纛显著强“。朱冬 生2 3 1 发明的交叉梯形波带( 简称c t 插入物) 特别灞用于商粘度和超高粘度的流 体强诧傣热。i 邈逶弓l 箨释置羧流薅产生撬流餐不产生离心力，薮嚣渡渡瓣扳壤孛 间流体移置壁丽，壁丽流体移置中间，促使边界层产生扰流，其防垢和强化传热 往爱谯予荬它澎式懿箍入物辑“。 英国c a l g 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 t f e a t e x 的内攒箨，可佼警翟绩燕效率挺毒2 1 5 镶1 2 5 1 。渡公司遥开发了秘g 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 6 第一章绪论 工况时可使相应值提高；倍2 6 1 。美国芝加哥换热器生产厂生产出一种按矩阵方 式排列的球体内插件，这种内插件由一系列开槽球体和连接杆组成，将这种内插 件放入管中，在同样的动力下可使换热效率至少增加到2 倍，而且其抗垢能力也 显著提高 ”】。 2 螺旋槽管( s p ir a iyc o rr u g a t e dt u b e ，s 管) 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，其主要结构参数有槽深p 、螺距p 和螺旋角a 。根据轧制时 的螺纹头数可分为单头和多头。图1 2 为螺旋槽管片断的外观形状。 卜i 叫 一 图l l 螺旋槽管结构示意图 2 7 1 f i g 1 1 s t r u c t u r a ls c h e m eo fs - t u b e 图1 2 螺旋槽管片断外观形状 f i g 1 - 2e x t e r n a ls h a p eo fs - t u b e 螺旋槽管强化传热的机理 4 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骚动，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。 重庆大学【2 7 】和华南理工大学【2 8 1 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。华南理工大学对螺旋槽管内流体的流态、强化传热机理及管参 数的优化选择方法进行了深入研究。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【2 9 】。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1 0 。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 3 0 1 。 3 横纹槽管( t r a n s v ers a iiyc orr u g a t e dt u b e ) 简称横纹管，是2 0 世纪 7 华南理工大学工学博士学位论文 7 0 年代中期出现的一种高教换热器元件，窀首先由莫斯科航空学院加里宁等撮 滋。横绞管主要弱亲强仡管内摹相溅矮鲢毽热，但它对管窳羚没皴嚏滚动豹蕈樱 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f 4 1 。 横纹管加工简单，用普通光管作毛坯，在光管的管壁上滚轧出与管子轴线 成9 06 趵横纹，这襻在营子内壁上形成一鼷墨凸起的圆环，恧在管子的步 壁上 形成一道道沟槽，管予轧制前后管端外径不变( 轧制后的内径比光管约小2 m m ) ， 其构造酾外理如图1 3 ，图1 4 所示。 一j 圈1 3 横纹管结构示意圈 3 h f i g 1 - 3s t r u c t u r a ! s c h e m eo f t r a n s v e r s a l l yc o r r u g a t e dt u b e 圈1 4 横纹管外观形状 f i g - 4e x t e r n a ls h a p eo f t r a n s v e r s a l l yc o r r u g a t e dt u b