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介紹管殼式換熱器的傳熱知識(shí)

管殼式換熱器是工業(yè)中應(yīng)用廣泛、運(yùn)用可靠性良好的一種換熱設(shè)備。世界各國(guó)在二十世紀(jì)六、七十年代開(kāi)始了強(qiáng)化技術(shù)的研究。強(qiáng)化傳熱主要有兩種途徑:

(1)增大傳熱面積,但換熱器的傳熱面積不可能無(wú)限制地增大,否則投資費(fèi)用會(huì)大大增加,并且隨著工業(yè)化的進(jìn)展,設(shè)備要緊湊化;

(2)提高傳熱系數(shù),主要從管程和殼程傳熱強(qiáng)化系數(shù)的提高方面上考慮。許多科研工作者已經(jīng)在這一方面上進(jìn)行了大量的研究,并且取得了很大的成效。本文主要討論了管殼式換熱器管程的強(qiáng)化傳熱———改變管子外形或在管內(nèi)加入插入物,介紹了螺旋槽管、橫紋管、螺旋扁管、管內(nèi)插入物、翅片管、縮放管和三維內(nèi)肋管等多種強(qiáng)化傳熱管的研究進(jìn)展。

1螺旋槽管

螺旋槽管是一種管壁上具有外凸和內(nèi)凸的異形管,管壁上的螺旋槽能在有相變和無(wú)相變的傳熱中明顯提高管內(nèi)外的傳熱系數(shù),起到雙邊強(qiáng)化的作用。根據(jù)在光管表面加工螺旋槽的類(lèi)型螺旋槽管有單頭和多頭之分,其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有槽深e、槽距p和槽旋角β。美國(guó)、英國(guó)、日本從1970年至1980年間對(duì)螺旋槽管進(jìn)行了大量的研究[1]。華南理工大學(xué)、北京理工大學(xué)和重慶大學(xué)也對(duì)螺旋槽管進(jìn)行試驗(yàn)研究,而且都取得顯著的成效。此外,研究還表明單頭螺旋槽管比多頭螺旋槽管的性能好。目前,無(wú)論是從傳熱、流阻、結(jié)垢性能,還是從無(wú)相變對(duì)流換熱和有相變凝結(jié)換熱,對(duì)螺旋槽管的強(qiáng)化傳熱研究從理論到實(shí)際已達(dá)到較高水平。進(jìn)一步結(jié)合計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展,對(duì)螺旋槽管在不同場(chǎng)合傳熱的模擬和仿真,找出具有較大通用性的關(guān)聯(lián)式以及優(yōu)化螺旋槽管的結(jié)構(gòu)尺寸將是今后研究的方向。

2橫紋管

1974年前蘇聯(lián)首先提出橫紋管,它是一種用普通圓管作毛胚,在管外壁經(jīng)簡(jiǎn)單滾軋出與軸線垂直的凹槽,同時(shí)在管內(nèi)形成一圈突起的環(huán)肋。其強(qiáng)化機(jī)理為:當(dāng)管內(nèi)流體經(jīng)橫向環(huán)肋時(shí),管壁附近形成軸向漩渦,增加了邊界層的擾動(dòng),有利于熱量通過(guò)邊界層的傳遞。當(dāng)渦流即將消失時(shí),流體又流經(jīng)下一個(gè)橫肋,不斷產(chǎn)生軸向渦流,因而保持連續(xù)且穩(wěn)定的強(qiáng)化作用。橫紋管主要用來(lái)強(qiáng)化管內(nèi)單相流體的傳熱,華南理工大學(xué)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在相同流速下,橫紋管流阻比單頭螺旋槽管的小。

3螺旋扁管

螺旋扁管是瑞士Allares公司首先提出、美國(guó)Brown公司經(jīng)過(guò)改進(jìn)的一種換熱管。由于管子的獨(dú)特結(jié)構(gòu),流體在管內(nèi)處于螺旋流動(dòng),促湍流程度。梁龍虎[3]經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究,表明螺旋扁管管內(nèi)膜傳熱系數(shù)通常比普通圓管大幅度提高,在低雷諾數(shù)時(shí)為明顯,達(dá)2～3倍;隨著雷諾數(shù)的增大,通常也可提高傳熱系數(shù)50%以上。

4管內(nèi)插入物

管內(nèi)插入物的類(lèi)型有很多,主要有:麻花鐵、螺旋線圈、螺旋帶、螺旋片、扭帶和靜態(tài)混合器等。各種插入物的強(qiáng)化傳熱機(jī)理一般可分為以下四種:(1)形成旋轉(zhuǎn)流;(2)破壞邊層;(3)中心流體與管壁流體產(chǎn)生置換作用;(4)產(chǎn)生二次流。管內(nèi)插入物的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)舊的換熱器設(shè)備進(jìn)行改造,以提高其換熱性能。在強(qiáng)化傳熱的同時(shí),能達(dá)到清除污垢的目的。英國(guó)CalGavin公司研制一種叫Heatex的插入物,它由一組延伸至管壁的圓態(tài)體組成,可管側(cè)傳熱效率提高2～15倍[4]。該公司還開(kāi)發(fā)了一種叫HitranMatrixElements的花環(huán)式插入物,能在不增大壓降的條件下大大提高傳熱系數(shù)。用于液體工況,可管殼式換熱器管程傳熱效率提高25倍;用于氣體工況,可相應(yīng)值提高5倍。此外,與正常流速相比,這種插入物換熱管的防垢能力提高8～10倍[5]。

5內(nèi)翅片管

內(nèi)翅片管是采用特殊的焊接工藝和設(shè)備加工而成,流體在管內(nèi)的換熱過(guò)程為單相強(qiáng)制對(duì)流換熱。其主要特點(diǎn)是通過(guò)在傳熱管管內(nèi)擴(kuò)大傳熱面積、強(qiáng)化管內(nèi)傳熱的途徑來(lái)提高換熱器的傳熱性能。1971年美國(guó)首先提出內(nèi)翅片管,并于二十世紀(jì)九十年代又開(kāi)發(fā)出一種高效強(qiáng)化管內(nèi)相變傳熱的內(nèi)螺旋翅片管。日本、前蘇聯(lián)等國(guó)也進(jìn)行大量的研究工作。八十年代初,日立電纜有限公司研究表明,采用左右錯(cuò)式的螺旋內(nèi)翅片管強(qiáng)化單相流體的傳熱可管內(nèi)給熱系數(shù)提高到光管的2.8倍左右[6]。

6縮放管

縮放管是由依次交替的多節(jié)漸縮段和漸擴(kuò)段構(gòu)成,流體在該管結(jié)構(gòu)的作用下引起湍動(dòng),從而提高傳熱效率�？s放管應(yīng)用于單相流的研究已開(kāi)展很多。華南理工大學(xué)提出一種改型縮放管,將每個(gè)縮放單元段中的擴(kuò)張段減到小,并采用外凸圓弧、內(nèi)凹弧和直線相連接的方式。同時(shí)還對(duì)該改進(jìn)型管進(jìn)行自然對(duì)流沸騰換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究,表明了改進(jìn)型縮放管的自然對(duì)流沸騰換熱性能優(yōu)于普通縮放管[7]。陳穎[8,9]經(jīng)實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算,表明該改進(jìn)型縮放管有較好的強(qiáng)化傳熱效果。

7維內(nèi)肋管

三維內(nèi)肋管是通過(guò)專(zhuān)用的工具經(jīng)過(guò)一定的方法對(duì)普通圓管內(nèi)壁加工而成的高效強(qiáng)化傳熱元件。流體在管內(nèi)受到三維肋的作用而其熱邊界層的厚度減薄,從而提高對(duì)流傳熱膜系數(shù)。在某些煙氣管對(duì)流換熱中,三維內(nèi)肋管具有獨(dú)特的自清灰功能,李清方[10]經(jīng)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)煙氣與三維內(nèi)肋管的對(duì)流換熱系數(shù)可達(dá)光管的3.2倍,比其它強(qiáng)化管如螺紋管的傳熱效果好。

8結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)(CFD)在流體流動(dòng)和傳熱進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和仿真方面上將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。為了達(dá)到更好的強(qiáng)化傳熱目的,更優(yōu)化的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)組合研究也將成為傳熱強(qiáng)化技術(shù)研究的發(fā)展方向。

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