文档介绍：郑州大学化工与能源学院
课程论文
题目名称:管壳式换热器的换热管强化传热技术浅述
专业: 热能与动力工程
姓名: 张鑫
学号: 20090390126
指导老师: 赵金辉
课程名称: 专外与文献检测
管壳式换热器的换热管强化传热技术浅述
摘要
本文主要介绍了管壳式换热器换热管强化传热技术,分析了各自的原理、优缺点及推荐的使用场合。采用节能技术的换热器不仅提高了能源的利用率,而且减少了金属材料的消耗,对化工行业提高经济效益具有重要意义。
一、换热器强化传热技术的概述
近20年来,石油、化工等过程工业得到了迅猛发展。各工业部门都在大力发展大容量、高节能设备,因此要求提供尺寸小、重量轻、换热能力大的换热设备。
图1:管壳式换热器结构图
特别是始于20世纪60年代的世界能源危机,加速了当代先进换热技术和节能技术的发展。强化传热已发展成为第二代传热技术,并已成为现代热科学中一个十分引人注目的、蓬勃发展的研究领域。换热器作为一种实现物料之间热量传递的节能设备,在化工、石油、石油化工、冶金、轻工、食品等行业中就得到了普遍应用。
换热设备传热过程的强化主要是使换热设备能在单位时间内、单位面积上传递的热量达到最大化从而实现下述目的:
⑴.减小设计传热面积,以减小换热器的体积和质量⑵.提高现有换热器的换热能力⑶.使换热器能在较低温差下工作⑷.减小换热器的阻力,以减少换热器的动力消耗
二、强化传热的原理
从传热学中我们知道换热器中的传热量可用下式计算,即
Q=kFΔT (1)
式中:
k-传热系数[W/(m2·K)]
F-传热面积[m2]
ΔT-冷热液体的平均温差[K]
从上式可以看出,欲增加传热量Q,可用增加k、F或ΔT来实现。下面我们对此分别加以讨论。

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。在冷热流体进出口温度相同时,逆流的平均温差ΔT最大,顺流时ΔT最小,因此为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的布置。
当然可以用增加冷热流体进出口温度的差别来增加ΔT。比如某一设备采用水冷却时传热量达不到要求,则可采用氟里昂来进行冷却,这时平均温差ΔT就会显著增加。但是在一般的工业设备中,冷热流体的种类和温度的选择常常受到生产工艺过程的限制,不能随意变动;而且这里还存在一个经济性的问题,如许多工业部门经常采用饱和水蒸气作加热工质,×105Pa时,相应的饱和温度为437K,若为了增加ΔT,采用更高温度的饱和水蒸气,则其饱和压力亦相应提高,,相应压力就要上升10
5Pa。压力增加后换热器设备的壁厚必须增加,从而使设备庞大,笨重,金属消耗量大大增加,虽然可采用矿物油,联苯等作为加热工质,但选择的余地并不大。
综上所述,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。

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。管径越小,耐压越高,而且在金属重量相同的情况下,表面积也越大。采用各种形状的肋片管来增加传热面积其效果就更佳了。这里应特别注意的是肋片(扩展表面)要加在换热系数小的一侧,否则会达不到增强传热的效果。
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。如管壳式换热器在1m3体积内仅能布置换热面积150m2左右。而在板式换热器中则可达1500 m2,板翅式换热器中更可达5000 m2,因此在后两种换热器中其传热量要大得多。这就是它们在制冷、石油、化工、航天等部门得以广泛应用的原因。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,虽然它们扩展的程度不如板式结构高,但效果仍然是显著的。
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。

提高传热系数k是强化传热的最重要的的途径,且在换热面积和平均温差给定时,是增加换热量的唯一途径。当管壁较薄时从传热学中我们知道,传热系数k可用下式计算:
(2)
式中,α1—热液体和管壁之间的对流换热系数,α2—冷流体和管壁之间的对流换热系数,δ—管壁的厚度,λ—管壁的导热系数。
一般讲金属壁很薄,导热系数很大,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。
要想增加对流换热系数,就