换热器文献综述

相变换热器文献综述相变换热器文献综述 学院 材料与化学工程学 院 专业 过程装备与控制工 程 班级 2011 01 姓名 学号 相变储热换热器文献综述相变储热换热器文献综述 郑州 化工学院 摘要 本文通过对换热器发展历史的回顾 总结相变储热换热器的 理论技术和结构设计 对其物性数据 相变储热材料等做了简要评 述 1 引言引言 在工业生产中 为了实现物料之间热量传递过程的一种设备 统 称为换热器 它是化工 炼油 动力 原子能和其他许多工业部门 广泛应用的一种通用工艺设备 对于迅速发展的化工 炼油等工业 生产来说 换热器尤为重要 通常在化工厂的建设中 换热器约占 总投资的 10 20 在石油炼厂中 换热器约占全部工艺设备投资的 85 40 在化工生产中 为了工艺流程的需要 往往进行着各种不同的换 热过程 如加热 冷却 蒸发和冷凝等 换热器就是用来进行这些 热传递过程的设备 通过这种设备 以便使热量从温度较高的流体 传递给温度较低的流体 以满足工艺上的需要 由于使用的条件不 同 换热设备又有各种各样的形式和结构 另外 在化工生产中 有时换热器作为一个单独的化工设备 有时则把它作为某一个工艺 设备中的组成部分 其他如回收排放出去的高温气体中的废热所用 的废热锅炉 有时在生产中也是不可缺少的 总之 换热器在化工 生产中的应用是十分广泛的 任何化工生产工艺几乎都离不开它 2 换热器发展历史简要回顾换热器发展历史简要回顾 二十世纪 20 年代出现板式换热器 并应用于食品工业 以板代管 制成的换热器 结构紧凑 传热效果好 因此陆续发展为多种形式 30 年代初 瑞典首次制成螺旋板换热器 接着英国用钎焊法制造出 一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器 用于飞机发动机的散 热 30 年代末 瑞典又制造出第一台板壳式换热器 用于纸浆工厂 在此期间 为了解决强腐蚀性介质的换热问题 人们对新材料料制 成的换热器开始注意 60 年代左右 由于空间技术和尖端科学的迅 速发展 迫切需要各种高效能紧凑型的换热器 再加上冲压 钎焊 和密封等技术的发展 换热器制造工艺得到进一步完善 从而推动 了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用 此外 自 60 年代开 始 为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要 典型的管壳 式换热器也得到了进一步的发展 70 年代中期 为了强化传热 在 研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器 换热器按传热方 式的不同可分为混合式 蓄热式和间壁式三类 节能和环保已经成为当今世界的两大主题 经济高速发展 人口 不断增长 过度开采和能源的利用率过低导致能源供需矛盾越来越 大 能源紧缺受到人们越来越多的关注 能量存储随之引入了人们 的生活 近年来 相变储换热器在太阳能利用 工业废热利用及暖通 空调蓄冷和蓄热等领域获得了广泛的应用 相变储换热器有多种形 式如管簇式 球形堆积床式和平板式 一些研究者对其热性能进行了 模拟和实验研究 3 实验研究的主要成果实验研究的主要成果 3 1 相变储能材料的导热强化 在潜热储热系统中 相变材料通过凝固和溶化有效地储存和释放 大量能量 相变材料的优点是储热密度大 吸热和放热的过程几乎 可以在恒定的温度下进行 但是 一些相变材料 特别是石蜡 脂 肪酸等有机相变材料 导热系数低的特点往往是制约其实际应用的 重要因素 因此 如何提高相变材料的导热性成为相变材料研究关 注的焦点 同济大学材料科学与工程学院的曾亮等人的研究显示了以下几种 强化相变材料传热的方法 3 1 1 与金属复合提高相变储能复合材料的导热性能 金属基主要包括铝基 泡沫铝 和镍基等 相变储能材料主要包括各 类熔融盐和碱等 金属基复合蓄热材料既能兼备固体显热蓄热材料 和潜热蓄热材料两者的优点 又能克服潜热材料在相变时液固界面处 的传热效果差和显热储能材料蓄热量小及很难保持在一定温度下进 行吸热和放热等缺点 从而使之具备能快速放热和快速蓄热 蓄热量大 的特有性能 这些优点使它可以用于贮存太阳热能和工业加热炉的 余热回收等领域 因此有广阔的应用前景 3 1 2 与陶瓷复合提高相变储能复合材料导热性能 陶瓷基相变储能复合材料主要是将相变材料分布于陶瓷基体的超 微多孔网络中 相变材料受热熔化时吸收潜热 而液态相变材料受陶瓷 基体毛细张力的作用不会流出 从而使相变前后维持复合材料原来的 形状 陶瓷基相变复合材料是 20 世纪 80 年代提出的 主要优点有 可 供选择的无机盐种类多 可同时利用显热和潜热 蓄热密度大 无需封 装 不存在腐蚀问题 不存在过冷和相分离的问题 1 3 1 3 利用组合相变材料储热系统强化导热 利用组合相变材料储热系统也是导热强化的有效手段 浙江大学 能源工程系王剑锋等人的研究显示 在同一储热系统中采用相变温 度不同的相变材料合理组合 可以显著提高系统效率 而且能够维持相 变过程相变速率的均匀性 这一特性对于储热或放热时间有严格限 制的储热系统具有重要意义 且适用于工作温度从几十度到近千度范 围的相变材料已有数千种 这为组合相变材料储热的研究奠定了应用 基础 在组合式相变材料储热系统研究中 相变材料的组合方式主要 有两种 一种方式是沿传热流体流动方向分别放置相变温度不同的两 种或两种以上的相变材料储热单元 另一种方式是在同一储热单元内 或沿垂直于传热流体流动方向通过合理组合放置相变温度不同的两 种或两种以上的相变材料 还有一种可能的组合方式是这两种方式 的组合 在高温储热系统中 特别是储热系统工作温区较大的高温储 热系统 组合相变材料储热系统将体现其独特的应用特色 无论是哪 一种组合方式的研究和应用 都必须获得给定传热流体工作条件下相 变材料的最佳组合方案 或者在给定相变材料组合方案前提下获得传 热流体的最佳匹配 2 3 2 相变储热换热器结构设计 本文要讨论的相变储热换热器属间壁式换热器 而间壁式换热器 按结构分为以下几种 1 夹套式换热器 2 沉侵式蛇管换热器 3 喷 淋式换热器 4 套管式换热器 5 螺旋板式换热器 6 板式换热器 7 板翅式换热器 8 热管式换热器 9 列管式换热器 3 化工生产中 使用得比较多的有板式 板翅式 管壳式 列管式 以及热管式换 热器 3 2 1 平板式相变储换热器 平板式相变储换热器结构简单 相变容器内部可布置传热管道 可实 现同时充放冷 清华大学张寅平等人建立了分析板式相变储换热器 储换热性能的理论模型 采用温度和相变界面交替迭代法进行求解 为描述此类问题的本质 引入量纲一参数 得到了相应的量纲一储换热 准则公式 并讨论了加肋片后的强化换热效果 4 3 2 2 管壳式相变储换热器 管壳式换热器的应用已有很悠久的历史 现在 它被当作一种传 统的标准换热设备在许多工业部门中大量使用 尤其是在化工 石 油 能源等行业中使用更为广泛 一般来说 管壳式换热器制造容 易 生产成本低 选材范围广 清洗方便 适应性强 处理量大 工作可靠 且能适应高温高压 虽然它在结构紧凑性 传热强度和 单位金属消耗量方便无法与板式或板翅式换热器相比 但它由于具 有前述的一些优点 因而在化工石油 能源等行业的应用中仍处于 主导地位 在换热器向高温 高压 大型化发展的今天 随着新型 高效传热管的不断出现 使得管壳式换热器的应用范围得以扩大 更增添了管壳式换热器的新生命力 5 3 2 3 热管相变蓄热换热器 为解决工业余热回收中供 需双方在时间 地点 强度等方面的 不匹配现象 上海海事大学蓄冷技术研究所的章学来等人将热管应 用于相变蓄热领域中 设计了热管式相变蓄热换热装置 将实验所 得的相变材料运用其中 利用锅炉排放的烟气作为热源 采用热管 作为加热元件 并在烟气段添加环形翅片 加热冷水 使其成为多 功能的节能型热管式相变蓄热换热器 装置不仅有储热 释热的一 般功能 而且还具备取放热同时进行的功能 在此功能下 热源的 热量可以瞬时 有效的传递给进行取热的流体 而被相变材料所吸 收的热量仅占很少的部分 通过一定工况下的计算表明 约 70 的 热量可被传递给取热流体 工作原理 换热器大致分 3 层 第一层冷流体通道 中间为蓄热体 空间 第三层为热流体通道 三层互相独立 互不相通 在热流体 通道内有带翅片换热元件的热管 上面两层均为光管 自上而下贯 穿 3 个空间 传递热量 通过时间温度控制器控制烟气热量通过加 热翅片管加热相变材料 相变材料发生相变 储存显热与潜热 通 过均布的热管传递到水中 将水加热 相变材料也逐渐发生晶格变 化 凝固 释放所存潜热后其温度开始下降 6 3 3 有限元仿真分析在换热器设计中的应用 广西大学化学化工学院朱志彬等人应用 ANSYS 软件分别对厚壁圆 筒受压情况 换热器换热过程进行计算模拟 并与理论计算结果进行 了比较讨论 分析结果表明 ANSYS 具有很高的计算精度和强大的分 析功能 可作为化工机械设计辅助分析的强有力工具 反映了该软件在 化工机械设计中具有广泛的应用前景 ANSYS 程序中的 FLOTRAN CFD 分析功能是一个用于分析二维及三 维流体流动场的先进的工具 使用 ANSYS 中用于 FLOTRAN CFD 分析的 FLUID 141 和 FLUID 142 单元 可对含有多种流体的 由固体隔开 热交 换器进行研究 ANSYS 流体单元能进行流体动力学分析 分析类型可 以为瞬态或稳态 分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元 的流率 并且可以利用后处理功能产生压力 流率和温度分布的形 显示 另外 还可以使用三维表面效应单元和热 流管单元模拟结构的 流体绕流并包括对流换热效应 7 郑州大学郭茶秀等人利用计算流体力学软件 FLUENT 凝固 熔化模 型对一种相变材料蓄冷球的凝固过程进行数值模拟研究 得到了在第 一类边界条件下蓄冷球凝固过程的温度场分布 相界面移动规律 并 分析了凝固时间与壁面温度和球径的关系 所得到的结论对相变问 题的数值模拟以及相变蓄能装置的设计具有重要的参考价值 他们 的研究表明 FLUENT 在分析相变传热问题中具有独特的优势 它界面 友好 操作方便 计算简单快捷 具有强大的前后处理功能 是进行相 变数值计算的强有力工具 8 4 小结小结 随着现代工业的发展 人们越来越多地关注与可持续发展密切相关 的能源和环境问题 潜热式能量存贮是一种高效的贮能方式 与显 热式能量存贮相比 具有能量密度高和充 释热温度稳定等优点 相关 的应用研究已得到广泛的关注 近代换热器制造加工技术日趋成熟 将新型相变储热材料与传统换热器相结合 制造新型相变储热换热 设备具有较大发展空间 与传统换热器比 由于要在换热器中添加相变储热材料 而大多 数的相变储热材料的传热系数低 成为换热器强化传热的 瓶颈 结合本专业特点与优势 主要从改良结构设计入手 来提高相变储 热材料传热系数 降低热阻 从而达到能量利用率的最优化的目的 随着电脑技术的发展 有限元仿真技术得以更加方便的使用 结合 有限元分析设计 可以大大降低相变储热换热器设计实验成本 加 快设计速度 为产品早日投入市场创造了条件 由于是要投入工程 实际中的产品 故还应考虑其生产成本的经济性 利用最优化设计 原理对换热器结构进行最优化处理 参考文献 1 曾亮 周春玉 张东 相变材料导热性能强化的研究进展 材料 科学与工程 学报 上海 2010 2 王剑锋 陈光明 陈国邦 欧阳应秀 组合相变材料储热系统的 储热速率研究