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换热器的传热方式是什么?

  • 所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算,采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下,使它的体积缩小。换热器传热强化通常使用的手段包括三类:扩展传热面积(F);加大传热温差;提高传热系数(K)。
    1、换热器强化传热的方式
    1.1 扩展传热面积F
        扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。在扩展换热器传热面积的过程中,如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热量,不光需要增加设备投资,设备占地面积大、同时,对传热效果的增强作用也不明显,这种方法现在已经淘汰。现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的,如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料,通过这些材料的使用,单台设备的单位体积的传热面积会明显提高,充分达到换热设备高效、紧凑的目的。
    1.2 加大传热温差Δt
        加大换热器传热温差Δt是加强换热器换热效果常用的措施之一。
        在换热器使用过程中,提高辐射采暖板管内蒸汽的压力,提高热水采暖的热水温度,冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水,空气冷却器中降低冷却水的温度等,都可以直接增加换热器传热温差Δt。
        但是,增加换热器传热温差Δt是有一定限度的,我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段,使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。例如,我们在提高辐射采暖板的蒸汽温度过程中,不能超过辐射采暖允许的辐射强度,辐射采暖板蒸汽温度的增加实际上是一种受限制的增加,依靠增加换热器传热温差Δt只能有限度的提高换热器换热效果;同时,我们应该认识到,传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加,降低了热力系统的可用性。所以,不能一味追求传热温差的增加,而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。
    1.3 增强传热系数(K)
        增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数(K)。
        换热器传热系数(K)的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定,换热器传热过程中的总热阻越大,换热器传热系数(K)值也就越低;换热器传热系数(K)值越低,换热器传热效果也就越差。
        换热器在使用过程中,其总热阻是各项分热阻的叠加,所以要改变传热系数就必须分析传热过程的每一项分热阻。如何控制换热器传热过程的每一项分热阻是决定换热器传热系数的关键。
        上述三方面增强传热效果的方法在换热器都或多或少的获得了使用,但是由于扩展传热面积及加大传热温差常常受到场地、设备、资金、效果的限制,不可能无限制的增强,所以,当前换热器强化传热的研究主要方向就是:如何通过控制换热器传热系数(K)值来提高换热器强化传热的效果。我们现在使用最多的提高换热器传热系数(K)值的技术就是:在换热器换热管中加扰流子添加物,通过扰流子添加物的作用,使换热器传热过程的分热阻大大的降低,并且最终来达到提高换热器传热系数(K)值的目的。
    2、换热器上扰流子强化传热的使用
        换热器在传热过程中,影响换热器传热系数(K)的主要因素包括:换热器内、外部液体的流动状态,换热面的形状及尺寸等。为了提高换热器的传热系数,强化换热器的传热效率,国内外出现了多种强化元件及强化措施,主要包括在换热器中使用螺纹管、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在换热管中加扰流子来强化管内换热等。其中,在换热管中加扰流子添加物进行强化传热在工业上已使用了多年,它可以使换热器总的传热系数出现明显的提高,可以大大节省换热器的传热面积,降低设备重量,节约大量金属材料,它的许多优点已日益引起人们的重视。
        将对换热器扰流子强化传热的原理及特点作以下详细论述
    2.1 扰流子强化元件的种类和共同特点
        扰流子强化元件有多种形式,现在使用最多的包括:金属丝制元件、金属螺旋圈、盘状构件、麻花铁、翼形物等。这些扰流子强化元件有一个共同的特点就是:在换热器换热管中这些扰流子添加物可以有效降低换热器传热过程中的总热阻,大大地提高换热器的传热系数(K)值,对换热器的传热效果增强明显。
    2.2 扰流子强化传热的原理
        研究表明,加入到换热器换热管中的扰流子添加物可以使换热管内流动的液体产生明显的螺旋运动。换句话说,在换热器换热管中加入扰流子添加物,就相当于在换热器换热管中加入空隙率ε≥95%的多孔体,当换热器换热管中流动的液体流经这些扰流子添加物以后,流道内将产生明显的弥散流动效应,在低雷诺数下(Re≥300),由于弥散流动的促进,使换热器换热管中的液体转变为湍流。湍流状态的流动液体其总热阻是所有流态液体中最小的,由于换热器换热管中湍流状态的流动液体热阻非常小,所以,换热器的传热系数(K)值将大大增加。在高的传热系数(K)值状态下,换热器中扰流子强化传热的效果就会非常明显。
        当然换热器中的扰流子对流经换热管的不同介质,其强化传热的效果是有区别的。并且,换热管内扰流元件的形状和在传热面上的安装方法,对传热和流阻都有影响,一般可通过实验确定其最佳形式。例如试验表明:在管道的全长填满螺旋形金属丝与间断设置螺旋圈相比,后者在传热性能不变时可减小流阻。
        关于扰流子强化传热的原理,还有许多其它见解,有的专家认为扰流子强化传热是基于加大了传热面积和粗糙度,这无疑是正确的。但试验表明,即使不紧贴壁面安装,则轴向固定在流道中心的扰流子也能使α值加大,有人解释为填充物能产生持续不断的涡流,并沿流向产生一个中心旋转流,在离心力的影响下使管中心的流体与壁面边界层流体充分混合。从而减薄了边界层,强化了传热。总的看,有关扰流子强化传热的理论还不完备和一致,一些数据仅来自实验,有待于更多的科研人员开发和利用。
    2.3 扰流子强化传热的特点
        在换热器换热管中加扰流子添加物,最明显的特点就是大大增强了换热管内侧的换热系数。试验表明,在换热器换热管中加扰流子添加物,换热管内侧换热系数可比光管提高3.5倍以上。
        扰流子强化传热除了减少金属消耗,它还可以提高工厂热能利用效率,降低能耗。目前,一些设计追求高热强度,而管壳式换热器由于传热效率低,设计中采用的主要手段是选择提高对数平均温差,这要导致能耗的大幅度增加。以炼油厂常减压装置为例,传热温差为60℃,以热—冷流体260~200℃计算,传热占热流21.5%,如果将温差降至33℃,传热损可降至10%采用扰流子强化传热的换热器,在保证换热强度不变的情况下,可以显著降低传热温差,从而降低了热损更好地实现能级匹配,达到节能降耗的目的。
        采用扰流子强化传热,另一优点就是可有效地抑制污垢的生成。结垢是换热器非常棘手的问题。污垢使传热效率下降,它的导热性能差,只有钢的1/30~1/50。对碳钢管油冷却器,当水垢厚度达到2mm时,将比新制无垢时的运行效率下降30%。美国传热研究公司对换热器的污垢问题进行了多年的研究,发现污垢的形成、生长,主要与介质温度和流速有关,介质温度越高,介质与壁面温差越大,流速越低,越易形成污垢。为了消除管侧污垢,国外一些厂家通过提高管内流速(V=2~3m/s),但这带来过高的压降,能耗很大。采用扰流子强化传热的换热器,设备管侧的污垢显著减少。首先,由于流体的弥散流动,介质的温度梯度较小,抑制了污垢的形成、生长;其次,由于弥散流紊动度很高(扰流子强化相当于静态搅拌器),流体中的杂质不易沉积成垢。
        使用扰流子强化传热换热器的清洗十分方便。短时期清洗时,可不抽出强化元件,用水速为V>0.8m/s的清洗水冲刷管程即可。实验表明。当水速达到0.8m/s时,水流将产生强烈的弥散涡流,对管壁有很强的冲刷效应。因此,可以比较干净地除掉扰流子及管壁上的垢物。如果长时间运行后清洗,可抽出强化元件,分别清洗扰流子与管壁,这也很便于实施。
        扰流子强化传热元件非常易于装拆、安装,日常维护简便,对旧设备的革新挖潜尤为有利。