节能培训-工业过程系统节能及技术-强化传热及换热器技术

工业过程系统节能技术

——强化传热与换热器2023/11/235:38强化传热与换热器技术2异型强化传热管34新型壳程支撑结构研究ing的强化传热技术1强化传热基础知识5应用案例2023/11/235:381.1强化传热基础知识换热器是一种量大面广的通用设备、换热器是一种重要节能设备。换热器广泛应用于电力、化工、炼油、制冷、低温、冶金、建材、环保、航天、航空、食品、轻工、医药等部门，几乎所有的行业均与换热器相关。

在石油化工、空调制冷行业，换热器重量占工艺设备总重的40%以上，占设备总投资的30%以上。2023/11/235:38从节能角度出发强化传热的目的是：提高能源利用效率，减少能源使用过程中有效能的损耗；减小换热器的体积，减轻重量和金属消耗。强化传热指的是用较小的设备传递较多的热量,也就是说要使热交换器单位传热面积的传热速率Q越大越好。1.1强化传热基础知识2023/11/235:38

换热器的强化传热就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量达到最多。传热方程式为：式中K—传热系数；

A—换热面积；

△T—平均传热温差。强化传热主要有3种途径：提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差。1.1强化传热基础知识2023/11/235:381）增加平均温差ΔT在换热器中冷热液体的流动方式有四种，即顺流、逆流、交叉流、混合流。在进出口温度相同时，逆流的平均温差ΔT最大，顺流时ΔT最小，应尽可能采用逆流或接近于逆流的布置。温差增大，势必造成换热过程的有效能损失（或者熵增）增大，从节能与能量的梯级利用角度出发，这是不允许的，是违背节能初衷的。尽量使得流体呈逆流流动，而尽最大可能采用低温差传热，是未来换热器必须发展的方向。用增加平均温差ΔT的办法来增加传热只能适用于个别情况。

1.1强化传热基础知识2023/11/235:382）.扩大换热面积A扩大换热面积是常用的一种增强换热量的有效方法，如采用小管径、各种翅片等。一些新型的紧凑式换热器，如板式和板翅式换热器，同管壳式换热器相比，在单位体积内可布置的换热面积多得多。当然紧凑式的板式结构对高温、高压工况就不宜应用。对于高温、高压工况一般都采用简单的扩展表面，如普通肋片管、销钉管、鳍片管，效果仍然是显著的。采用扩展表面后，如果几何参数选择合适还可同时提高换热器的传热系数，这样增强传热的效果就更好了。值得注意的是，采用扩展面常会使流动阻力增加，金属消耗增加，因此在应用时应进行技术经济比较。1.1强化传热基础知识2023/11/235:383）.提高传热系数k提高传热系数k是强化传热的最重要的的途径，传热系数k可用下式计算： 一般讲δ/λ可以忽略。因此传热系数k可以近似写成：k=α1α2/（α1+α2）。由此可知欲增加k，就必须增加α1和α2，但当α1和α2相差较大时，增加它们之中较小的一个最有效。1.1强化传热基础知识2023/11/235:38综合表明，强化传热的主要技术手段有：传热表面的粗造化和流体流通截面的异形化——异型强化传热管；管束支撑与流场的协同化——新型壳体支撑结构；外场（机械振动、电、磁、电磁等）与内场（速度、温度）的协同——研究ing的技术。1.1强化传热基础知识2023/11/235:381.2异形强化传热管2023/11/235:381.2异形强化传热管2023/11/235:381.2异形强化传热管2023/11/235:381.2异形强化传热管2023/11/235:381.2异形强化传热管2023/11/235:381.2异形强化传热管1.2异形强化传热管2023/11/235:381.2异形强化传热管2023/11/235:381.2异形强化传热管2023/11/235:381.2异形强化传热管2023/11/235:381.2异形强化传热管2023/11/235:381.2异形强化传热管六、多股流扁管这种管型既具有普通传热管的优点（耐温耐压能力强），又具有板式换热器的优点（结构紧凑、表面传热系数高），特别适合气——气热交换，具有压降低、传热系数高的优点，扁管的宽度从30-300mm之间可以任意选择，能够最大限度满足个性化用户的需求。传热系数提高30以上；抗结垢能力强；特别适合气体和易结垢液体的余热回收，如烟气、印染废水等。2023/11/235:381.3新型壳程支撑结构（一）、螺旋折流板换热器

螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器，最初由美国ABB公司提出的。与常规折流板相互平行布置方式不同，它的折流板相互形成一种特殊的螺旋形结构，每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度，使壳程流体做螺旋运动，能减少管板与壳体之间易结垢的死角，从而提高了换热效率。在气—水换热的情况下，传递相同热量时，该换热器可减少30％~40％的传热面积，节省材料20％~30％。此换热器尤适宜于处理含固体颗粒、粉尘和泥沙等流体。2023/11/235:381.3新型壳程支撑结构

经过改良的螺旋折流板具有如下优点：压降更低、传热系数更高；基本无流动死区；适合气体冷却、高粘度流体的传热。2023/11/235:381.3新型壳程支撑结构螺旋折流板+缩放管，可以有效强化管内外传热系数，用于气-气传热，可以提高总系数50%以上，壳程压降减少30%左右，特别适合应用气体余热回收这是通过改良以后的螺旋折流板，该图为某冶金企业设计制造的气-气换热器，换热器体积比原来减少30%以上。2023/11/235:38扭曲管结构图（二）扭曲管换热器-无管束支撑1.3新型壳程支撑结构2023/11/235:38

管程、壳程同时强化传热，抗振性能好。更适合流速底、粘度大的流体。1.3新型壳程支撑结构2023/11/235:381.3新型壳程支撑结构扭曲管束换热器由于不需要壳程支撑结构，使得壳程的压降大大减小，如果进行优化匹配，可以使得管内外传热系数比较接近，总体来说换热器的总传热系数可以提高30-50%，壳程压降减小50%，管程压降有所加大。该类型的换热器已经成功用于化工、石油和与其相关的领域，特别使用于高粘度流体和非牛顿型流体。图为某维尼纶厂设计制造的换热器设备。2023/11/235:38（三）、折流杆换热器

折流杆换热器是1970年由美国菲利浦石油公司首创的。而我国在80年代初期开始研究折流杆换热器，最先是应用在石油化工行业上，近几年我国自主开发折流杆换热器的工作取得迅速发展，折流杆换热器在逐渐被人们认识的同时，也将逐步取代折流板换热器。1.3新型壳程支撑结构2023/11/235:38折流杆换热器主要结构特点：以折流杆所组成的折流栅来代替传统的折流板。折流杆对管子起支撑作用，又对流体起扰动强化传热作用。将流体横掠管壳改作纵掠管束，从而从扰动的源头上有效的防治诱导振动的产生1.3新型壳程支撑结构2023/11/235:38折流杆的结构：1.3新型壳程支撑结构2023/11/235:38折流杆管壳式换热器的优点1）防止了诱导振动的产生，提高了换热器的安全性。2）大大减少了壳侧流体的流动阻力，降低了管侧的泵功，节约能源。3）减少了横掠管束时的流动死区和漏流损失，且强化了壳侧的换热，传热系数反而可提高10%-30%。4）减少了污垢的沉积和腐蚀的产生，提高了换热器的使用寿命。1.3新型壳程支撑结构2023/11/235:381.3新型壳程支撑结构（四）空心环式换热器

空心环管壳式换热器是我国于20世纪90年代发明的一种新型管壳式换热器。空心环是由直径较小的钢管截成短节，均匀地分布于换热管管间的同一截面上，呈线性接触，在紧固装置螺栓力的作用下，使管束相对紧密固定。空心环作为支撑形式，已成功地应用于小型氮肥厂。据报道，在相同条件下，其传热面积虽比单弓形支承可减少35％，传热速率则可增加38％，泵功率可减少75％。2023/11/235:38（四）空心环式换热器1.3新型壳程支撑结构空心环与缩放管进行有效匹配，可以使得管内外传热系数均有20-30%左右的提高。目前该类换热器在硫酸工业领域已经处于绝对控制地位，特别适合于气-气传热。2023/11/235:38机械搅动表面振动流体振动电磁场喷射或抽吸形状记忆合金弹簧1.4

研究ing的强化传热技术2023/11/235:38受热面振动与强化传热传热强化传热面振动能够直接破坏边界层而获得传热的增强，振动雷诺数足够高，强化效果可达10倍。振动产生方法人工产生传热面振动，通常使用电力振动器或机械传动偏心装置来实现

存在的问题可能导致管子断裂；耗费的能量比增强传热所获得的收益要高

1.4

研究ing的强化传热技术2023/11/235:38流体脉动与强化传热脉动流的产生：流体脉动装置（脉动阀、空气脉动器、往复泵、扬声器、超声波、振荡器等）使流体产生脉动。强化传热的效果：大多数结果对换热有不同程度的增强，少数则相反。对于高粘度流体和非牛顿流体的层流运动基本没有强化传热的效果。对于原来即为湍流的气流，脉动基本不增强传热。主要的问题：要专门的设备，能量的消耗。1.4

研究ing的强化传热技术2023/11/235:38小扰动强化传热的机理（4）小扰动强化传热的机理层流时：由小扰动诱发流动失稳，形成湍流。湍流时：由小扰动诱发流体的脉动。由小扰动诱发流体的脉动，并使其固有频率与受热面固有频率耦合，引起受热面振动。由小扰动诱发流体的脉动，并使其固有频率与受热面固有频率耦合，并与漩涡脱落频率耦合，与换热器内声学波共振，形成有序有大涡，直接冲刷受热面。1.4

研究ing的强化传热技术2023/11/235:38小扰动如何诱发流体振动扰动诱发流体的脉动，通过与受热面固有频率的耦合，与漩涡脱落频率的耦合，与声场固有频率的共振，使扰动能放大并维持一定数值，达到强化传热、防止结垢、防止破坏的目的。流体脉动诱发盘旋管、盘旋悬伸管、盘形管、波纹管振动。壳程切向进水、切向对冲进水诱发流体的脉动。1.4

研究ing的强化传热技术2023/11/235:38为某冷冻机厂有限公司生产的多机头全封闭制冷机管壳式冷凝器传热系数提高50%以上；体积减小1倍左右为某远洋渔船设计制造的船用制冷机管壳式蒸发器、冷凝器。效果显著改进，冷凝温度降低3-5，节能在10%左右。1.4研究ing的强化传热技术1.5应用案例2023/11/235:38为某维尼纶集团公司生产的新型高效自支承螺旋扁管醋酸乙稀立式冷凝器换热器减小30%以上为某锌冶炼企业设计生产两转两收系统（二氧化硫转换三氧化硫）采用新型换热管与合理支承结构相匹配的高效换热设备节约传热面积30%以上。1.5应用案例2023/11/235:38为某热力环保公司设计生产的SG型波纹·蛇管换热器是一种高效的水——水换热器，总系数稳定在6000W/m2/K以上，是普通换热器的1.5倍以上，换热器传热温差可以降低至2-3℃，基本接近温差极限。为某化工厂设计生产多股流扁管气——气余热回收设备，可以回收烟气余热的90%，效率高出正常余热回收的1倍以上。1.5应用案例2023/11/235:3842为某家用热水器企业开发的冷凝式热水器用的冷凝潜热回收换热器热水器热效率提高至110%