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介紹管殼式換熱器的傳熱知識

管殼式換熱器是工業(yè)中應用廣泛、運用可靠性良好的一種換熱設備。世界各國在二十世紀六、七十年代開始了強化技術的研究。強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限制地增大,否則投資費用會大大增加,并且隨著工業(yè)化的進展,設備要緊湊化;

(2)提高傳熱系數(shù),主要從管程和殼程傳熱強化系數(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化傳熱———改變管子外形或在管內加入插入物,介紹了螺旋槽管、橫紋管、螺旋扁管、管內插入物、翅片管、縮放管和三維內肋管等多種強化傳熱管的研究進展。

1螺旋槽管

螺旋槽管是一種管壁上具有外凸和內凸的異形管,管壁上的螺旋槽能在有相變和無相變的傳熱中明顯提高管內外的傳熱系數(shù),起到雙邊強化的作用。根據(jù)在光管表面加工螺旋槽的類型螺旋槽管有單頭和多頭之分,其主要結構參數(shù)有槽深e、槽距p和槽旋角β。美國、英國、日本從1970年至1980年間對螺旋槽管進行了大量的研究[1]。華南理工大學、北京理工大學和重慶大學也對螺旋槽管進行試驗研究,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,無論是從傳熱、流阻、結垢性能,還是從無相變對流換熱和有相變凝結換熱,對螺旋槽管的強化傳熱研究從理論到實際已達到較高水平。進一步結合計算機軟硬件的發(fā)展,對螺旋槽管在不同場合傳熱的模擬和仿真,找出具有較大通用性的關聯(lián)式以及優(yōu)化螺旋槽管的結構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)簡單滾軋出與軸線垂直的凹槽,同時在管內形成一圈突起的環(huán)肋。其強化機理為:當管內流體經(jīng)橫向環(huán)肋時,管壁附近形成軸向漩渦,增加了邊界層的擾動,有利于熱量通過邊界層的傳遞。當渦流即將消失時,流體又流經(jīng)下一個橫肋,不斷產(chǎn)生軸向渦流,因而保持連續(xù)且穩(wěn)定的強化作用。橫紋管主要用來強化管內單相流體的傳熱,華南理工大學經(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Brown公司經(jīng)過改進的一種換熱管。由于管子的獨特結構,流體在管內處于螺旋流動,促湍流程度。梁龍虎[3]經(jīng)實驗研究,表明螺旋扁管管內膜傳熱系數(shù)通常比普通圓管大幅度提高,在低雷諾數(shù)時為明顯,達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管內插入物

管內插入物的類型有很多,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。各種插入物的強化傳熱機理一般可分為以下四種:(1)形成旋轉流;(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。管內插入物的優(yōu)點是對舊的換熱器設備進行改造,以提高其換熱性能。在強化傳熱的同時,能達到清除污垢的目的。英國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,可管側傳熱效率提高2～15倍[4]。該公司還開發(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內翅片管

內翅片管是采用特殊的焊接工藝和設備加工而成,流體在管內的換熱過程為單相強制對流換熱。其主要特點是通過在傳熱管管內擴大傳熱面積、強化管內傳熱的途徑來提高換熱器的傳熱性能。1971年美國首先提出內翅片管,并于二十世紀九十年代又開發(fā)出一種高效強化管內相變傳熱的內螺旋翅片管。日本、前蘇聯(lián)等國也進行大量的研究工作。八十年代初,日立電纜有限公司研究表明,采用左右錯式的螺旋內翅片管強化單相流體的傳熱可管內給熱系數(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)漸縮段和漸擴段構成,流體在該管結構的作用下引起湍動,從而提高傳熱效率�？s放管應用于單相流的研究已開展很多。華南理工大學提出一種改型縮放管,將每個縮放單元段中的擴張段減到小,并采用外凸圓弧、內凹弧和直線相連接的方式。同時還對該改進型管進行自然對流沸騰換熱特性的實驗研究,表明了改進型縮放管的自然對流沸騰換熱性能優(yōu)于普通縮放管[7]。陳穎[8,9]經(jīng)實驗和模擬計算,表明該改進型縮放管有較好的強化傳熱效果。

7維內肋管

三維內肋管是通過專用的工具經(jīng)過一定的方法對普通圓管內壁加工而成的高效強化傳熱元件。流體在管內受到三維肋的作用而其熱邊界層的厚度減薄,從而提高對流傳熱膜系數(shù)。在某些煙氣管對流換熱中,三維內肋管具有獨特的自清灰功能,李清方[10]經(jīng)實驗,發(fā)現(xiàn)煙氣與三維內肋管的對流換熱系數(shù)可達光管的3.2倍,比其它強化管如螺紋管的傳熱效果好。

8結束語

隨著計算機軟硬件的發(fā)展,計算流體力學(CFD)在流體流動和傳熱進行計算機模擬和仿真方面上將會得到更廣泛的應用。為了達到更好的強化傳熱目的,更優(yōu)化的強化結構組合研究也將成為傳熱強化技術研究的發(fā)展方向。

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