換熱器強化傳熱技術
                                    董其伍,朱　青,劉敏珊
                    (鄭州大學熱能工程研究中心, 450002鄭州市)
    摘要:換熱設備在工業生產中占有重要地位,其傳熱性能的好壞對節能有著重要意義。比較全面地介紹了換熱器的強化傳熱技術及其應用,列舉了相應的強化傳熱新結構;點明了強化傳熱技術的選用,以期對今后的強化傳熱研究工作提供幫助。
    關鍵詞:換熱器;強化傳熱;節能
    文章編號: 1003-7969(2007)02-0062-03　　　　中圖分類號:TQ051·5　　　　文獻標識碼:A
    換熱器是石油、化工、動力、能源、冶金、航空、車輛、制冷、食品、環保以及其他許多工業部門廣泛使用的通用工藝設備,是保證加工過程正常順利運轉不可缺少的關鍵部件,在材質消耗、動力消耗及工程投資方面占有很重要的份額。
    目前,能源危機越來越嚴重,以能源為中心的社會、經濟、環境等問題日益突出,節能和能源的合理有效利用顯得尤為重要。在工業生產中占有重要地位的換熱器作為能量傳遞的基礎設備,其傳熱性能的好壞對節能有著極其重要意義。強化傳熱是提高換熱器綜合效率、降低其壽命周期費用的有效措施。
    20世紀70年代初發生的世界性能源危機,有力地促進了傳熱強化技術的迅猛發展。要節能降耗,提高工業生產的經濟效益,必須研究各種傳熱過程的強化問題,開發適用不同過程工業要求的強化傳熱結構及高效換熱設備,這不僅是現代工業發展過程中必須解決的課題,同時也是開發新能源和開展節能工作的迫切任務。
    換熱器的強化傳熱就是通過改變影響傳熱過程的各種因素力求使換熱器在單位時間內,單位傳熱面積上傳遞最多的熱量。強化傳熱研究的主要目的是提高熱量傳遞過程的速率,力圖達到以最經濟的設備(重量小、體積小、成本低)來完成規定傳遞的熱量或在設備規模相同的情況下能更快更多地傳遞熱量,用最高的熱效率來實現能源的合理利用。
    1·強化傳熱技術及其應用
    強化傳熱技術分為被動式強化技術(亦稱為無功技術或無源強化技術)和主動式強化技術(亦稱為有功技術或有源強化技術)。前者是指除了介質輸送功率外不需要消耗額外動力的技術;后者是指需要加入額外動力以達到強化傳熱目的的技術[1]。
    1. 1　被動式強化傳熱技術
    1.1. 1　處理表面　
    包括對表面粗糙度的小尺度改變和對表面進行連續或不連續的涂層。可通過燒結、機械加工和電化學腐蝕等方法將傳熱表面處理成多孔表面或鋸齒形表面,如開槽、模壓、碾壓、軋制、滾花、疏水涂層和多孔涂層等。此種處理表面的粗糙度達不到影響單相流體傳熱的高度,通常用于強化沸騰傳熱和冷凝傳熱。
    1.1. 2　粗糙表面　
    該方法已發展出很多構形,包括從隨機的沙粒型粗糙表面到帶有離散的凸起物(粗糙元)的粗糙表面。通常,可通過機械加工、碾軋和電化學腐蝕等方法制作粗糙表面。粗糙表面主要是通過促進近壁區流體的湍流強度、阻隔邊界層連續發展減小層流底層的厚度來降低熱阻,而不是靠增大傳熱面積來達到強化傳熱的目的,主要用于強化單相流體的傳熱,對沸騰和冷凝過程有一定的強化作用。基于粗糙表面技術開發出的多種異形強化傳熱管在工業生產中的應用頗為廣泛,包括有:螺旋槽管、旋流管、縮放管、波紋管、針翅管、橫紋槽管、強化冷凝傳熱的鋸齒形翅片管和花瓣形翅片管、強化沸騰傳熱的高效沸騰傳熱管以及螺旋扭曲管等[2]。
    1.1. 3　擴展表面　
    該方法已在很多換熱器中得到了常規應用。如翅片管等非傳統的擴展表面的發展使傳熱系數有了很大的提高。其強化傳熱的機理主要是此類擴展表面重塑了原始的傳熱表面,不僅增加了傳熱面積,而且打斷了其邊界層的連續發展,提高了擾動程度,增加了傳熱系數,從而能夠強化傳熱,對層流換熱和湍流換熱都有顯著的效果。因此,擴展表面法得到越來越廣泛的應用,不僅用于傳統的管殼式換熱器管子結構的改進,而且也越來越多的應用于緊湊式換熱器。目前已開發出了各種不同形式的擴展表面,如管外翅片和管內翅片(包括很多種結構形狀,如平直翅片、齒輪形翅片、橢圓形翅片和波紋形翅片等)、叉列短肋、波型翅多孔型、銷釘型、低翅片管、太陽棒管、百葉窗翅及開孔百葉窗翅(多在緊湊式換熱器中使用)等。
    1.1. 4　擾流裝置　
    把擾流裝置放置在流道內能改變近壁區的流體流動,從而間接增強傳熱表面處的能量傳輸,主要用于強制對流。管內插入物中有很多都屬于這種擾流裝置,如金屬柵網、靜態混合器及各式的環、盤或球等元件。
    1.1. 5　漩渦流裝置　
    包括很多不同的幾何布置或管內插入物,如內置漩渦發生器、紐帶插入物和帶有螺旋形線圈的軸向芯體插入物。此類裝置能增加流道長度并能產生旋轉流動或(和)二次流,從而能增強流體的徑向混合,促進流體速度分布和溫度分布的均勻性,進而能夠強化傳熱,主要用于增強強制對流傳熱,對層流換熱的強化效果尤其顯著。
    1.1. 6　螺旋盤管　
    其應用可提高換熱器的緊湊度。它所產生的二次流能提高單相流體傳熱的傳熱系數,也能增強沸騰傳熱。
    1.1. 7　表面張力裝置　
    包括利用相對較厚的芯吸材料或開槽表面來引導流體的流動,主要用于沸騰和冷凝傳熱。芯吸作用常用在沒有芯吸材料冷卻介質就不能到達受熱表面的情形,常見的如熱管換熱器;還對水中表面的沸騰換熱強化非常有效。
    1. 1. 8　添加物　
    包括用于液體體系的添加劑和用于氣體體系的添加劑。液體中的添加劑包括用于單相流的固體粒子與氣泡和用于沸騰系統的微量液體;氣體中的添加劑包括液滴和固體粒子,可用于稀相(氣固懸浮液)或密相(流化床)。
    1.1. 9　殼程強化　
    殼程傳熱的強化包括兩個方面:
    一是改變管子外形或在管外加翅片,即通過管子形狀或表面性質的改造來強化傳熱;二是改變殼程擋板或管間支撐物的形式,盡可能消除殼程流動與傳熱的滯留死區,盡可能減少甚至消除橫流成分,增強或完全變為縱向流[3]。傳統的管殼式換熱器,通常采用單弓形折流板,其阻力大、死角多、易誘發流體誘導振動等弊端已嚴重影響換熱器傳熱效率,對工業生產和應用造成相當大的影響。據此,近年研究出了許多新的殼程支撐結構,有效彌補了單弓形折流板支撐物的不足,如雙弓形折流板、三弓形折流板、螺旋形折流板、整圓形折流板(包括大管孔、小圓孔、矩形孔、梅花孔和網狀整圓形折流板)、窗口不排管[4]、波網支撐、折流桿式、空心環式、管子自支撐(包括刺孔膜片式、螺旋扁管式和變截面管式)、扭曲管和混合管束換熱器式以及德國GRIM-MA公司制造的縱流管束換熱器[2]等。
    1. 2　主動式強化傳熱技術
    1.2. 1　機械攪動　
    包括用機械方法攪動流體、旋轉傳熱表面和表面刮削。帶有旋轉的換熱器管道的裝置目前已用于商業應用。表面刮削廣泛應用于化學過程工業中黏性流體的批量處理,如高黏度的塑料和氣體的流動,其典型代表為刮面式換熱器,廣泛用于食品工業[2, 4, 5]。
    1. 2. 2　表面振動　
    無論是高頻率還是低頻率振動,都主要用于增強單相流體傳熱。其機理是振動增強了流體的擾動,從而使傳熱得以強化。雖然振動本身對強化傳熱有不小的貢獻,但激發振動所需從外界輸入的能量可能會得不償失。為此,山東大學研究表明,可利用流體誘導振動來強化傳熱,依靠水流本身激發傳熱元件振動,會消耗很少的能量。利用流體誘導振動強化傳熱既能提高對流傳熱系數,同時又能降低污垢熱阻,即實現了所謂的復合式強化傳熱[2]。
    1.2. 3　流體振動　
    由于換熱設備一般質量很大,表面振動這種方法難以應用,然后就出現了流體振動,該方法是振動強化中最實用的一種類型。所使用的振蕩發生器從擾流器到壓電轉換器,振動范圍大約從脈動的1Hz到超聲波的106Hz。主要用于單相流體的強化傳熱。
    1. 2. 4　靜電場　
    可以通過很多不同的方法將靜電場作用于介電流體。總體來說,靜電場可以使傳熱表面附近的流體產生較大的主體混合,從而使傳熱強化。靜電場還可以和磁場聯合使用來形成強制對流或電磁泵。靜止流體中加足夠強度靜電場所形成的電暈風能在一定條件下強化單相流體的傳熱。如日本Mizushina以空氣為工質研究環形通道內電暈風對強制對流的影響,分別得到了存在電暈風時的努塞爾準數及阻力系數與雷諾數的關系曲線及經驗公式[2, 5]。
    1. 2. 5　噴射　
    包括通過多孔的傳熱表面向流動液體中噴射氣體,或向上游傳熱部分噴注類似的流體。
    1. 2. 6　抽吸　
    包括在核態沸騰或膜態沸騰中通過多孔的受熱表面移走蒸汽和在單相流中通過受熱表面排出液體。有研究預測,抽吸能大大提高層流流動和湍流流動的換熱系數,其中能大大增強湍流對流換熱已被Aggarwal等[6]人證實。
    兩個或兩個以上這些傳熱強化技術可以復合使用,從而達到比僅僅使用一種技術更好的強化傳熱效果,這種復合使用被稱為復合式強化傳熱技術。如在內翅管或粗糙管中插入紐帶插入物,帶有聲波振動的粗糙柱面,在流化床中使用翅片管,帶有振動的外翅管,加有電場的氣固懸浮液以及有空氣脈動的流化床等。
    但須注意的是,并不是每兩個或多個單個強化技術任意復合都能產生比單個強化技術更好的傳熱強化效果,比如有研究表明,帶有內翅的螺旋盤管的平均努塞爾準數要低于普通的螺旋盤管。必須經過實踐檢驗才能確認其對傳熱強化的有效性,獲得最佳的強化傳熱效果。
    2·結束語
    由于換熱設備在工業生產中的重要性和使用的廣泛性以及能源短缺造成的節能的重要性和迫切性,使得強化傳熱技術及各種異形強化傳熱結構的研究開發尤為重要,各種各樣的強化傳熱措施競相發展起來。但是,不同場合對于傳熱強化的具體要求不同,如提高換熱器的換熱能力,減小換熱器動力消耗,減小換熱器的換熱溫差,減小換熱設備的重量及材質消耗等,面對多種強化傳熱技術,應根據所要達到的目標和完成的任務并綜合分析考慮設備的換熱過程和經濟、環境等實際因素,選擇一種合適且行之有效的強化傳熱方法。
    另外,除了對傳統的管殼式換熱器進行各種強化措施來提高換熱能力外,還有另一種意義上的強化,即開發新型高效換熱器。目前,已經出現了不少這樣的換熱器,如板式換熱器、板翅式換熱器、熱管換熱器、不結垢換熱器、石墨換熱器、碳化硅換熱器、塊式換熱器、變形翅片管換熱器、麻花扁管換熱器和PACKINOX板殼式換熱器等。
參考文獻:
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[3]方書起,祝春進,吳　勇,等.強化傳熱技術與新型高效換熱器研究進展[M].北京:化工機械出版社,2004. 249-253.
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[5]高莉萍,王勵端.高效換熱器發展動態及其應用[J].石油化工設備技術, 1995, 16(3): 8-15.
[6]Aggarwal JK,HollingsworthM A.Heat transfer for tur-bulent flow
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