交流材料之四(强化型热交换器现状及发展)

1、1/31/20221强化型热交换器发展现状强化型热交换器发展现状Zhu R流材料之四交流材料之四1/31/202221 强化传热目的n应用强化传热技术的目的：应用强化传热技术的目的： 提高换热设备的效率 减少能量传递过程中的不可逆损失 合理有效地利用能源 减少换热面积 降低金属消耗1/31/202232 强化传热现状n国际上国际上: 各种强化型换热器在石油、化工、制冷、航空、车辆及动力机械等工业部门得到使用。尤其在低温差能源领域应用： 在地热资源、海洋热能、太阳能以及余热等利用中，应用强化技术的换热器就更有应用价值。n我国我国: 目前的管壳式换热器仍以弓形折流板加光

2、滑管为主，效率低，能耗高。1/31/202243 强化传热原理n传热过程强化原理：传热过程强化原理： 力求使换热器在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能增多。根据传热学的基本公式QKFTm 可知，增强传热的途径有三条： （1）提高换热器的传热系数K ； （2）加大换热器的换热面积F； （3）加大对数平均温差Tm 。1/31/20225强化传热原理n实际工作中实际工作中（1）加大换热器的换热面积F 成本？（2）加大对数平均温差Tm 工艺？（3）提高换热器的传热系数K 对无相变传热来说，所有的研究均是以破坏边界层，使边界层减薄，降低边界层热阻，从而提高传热系数为目的。1/31/202264 强

3、化传热手段 n强化管程传热强化管程传热 a.只需做单管的传热与流阻实验，设备简单 b.各种类型的强化传热管和管内插入物 n强化壳程传热强化壳程传热 a.需做管束的传热与流体阻力实验，设备庞大 b. 采用新的管间支撑结构、新的管束排列方法1/31/202275 新型高效换热器n强化管程：强化管程：1.麻花扁管2.螺旋槽纹管（螺纹管）3.横纹管4.缩放管5.波纹管6.管内插入物 n强化壳程：强化壳程：1.折流杆2.螺旋折流板3.纵流管束4.高效沸腾传热管1/31/20228新型高效换热器n管壳式以外的新型：管壳式以外的新型：1.板壳式：可拆卸板壳式、焊接板壳式2.螺旋板式1/31/202295.1

4、 麻花扁管换热器开发：开发：瑞典Alares公司的新产品，后经Brown Fintube公司改进。原理：原理：由于管子结构独特，使管程和壳程同时处于螺旋流运动，促进了湍流。该换热器总传热系数较现有换热器提高40，而压力降几乎相等。组装时亦可采用麻花扁管与光管混合配置，严格按照ASME标准制造。1/31/202210麻花扁管换热器制造：制造： 包括“压扁”和“热扭”两个工序。 特点：特点： 改进了传热，减少了结垢，真正逆流，无振动，节省了空间，无折流元件，降低了成本。可用管壳式换热器之处均可用此种换热器替换。1/31/2022115.2 螺旋槽管换热器 n原理：原理：当流体在管内流动时，受螺旋槽

5、的引导，管内流体做螺旋运动来产生局部二次流，有利于减少流体边界层厚度，因而可以加快由壁面到流体主体的热量传递。n应用：应用：可应用于热电厂，城市区域集中供热、采暖、空调以及石油、化工等行业的汽水和水水换热场合。 1/31/202212螺旋槽管换热器 n特点特点1：对于管程蒸汽冷凝过程，冷凝液易于沿螺旋槽道排除，同时也增加了层流液膜的扰动，从而减少热阻，提高冷凝放热系数。 n特点特点2：采用螺旋槽管作为传热管，管程流体产生强烈地旋转运动，对换热管壁有较强地冲刷作用，以及螺旋槽管本身具有热补偿能力，热胀冷缩，管壁不易结垢。1/31/2022135.3 横纹管换热器 n原理：原理： 当管内流体流经横

6、向环肋时，管壁附近形成轴向游涡，该游涡增加了边界层的扰动，使边界层分离，有利于热量的传递。当旋涡将要消失时流体又经过下一个横向环肋，因此不断产生涡流，保持了连续、稳定的强化作用。 1/31/202214横纹管换热器 1/31/2022155.4 缩放管换热器 n原理：原理： 缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形管道。在扩张段中流体速度降低，静压增加；在收缩段中流体速度增加，静压减小。在扩张段中由于流体质点速度变化产生剧烈的游涡并在收缩段中得到有效利用，而且冲刷流体边界层，使其减薄。在相同流体阻力下，有比光管更好的传热性能。1/31/2022165.5 波纹管换热器 示意图：示意图：1/

7、31/202217 波纹管换热器 实物：实物：1/31/202218波纹管换热器 n原理：原理： 波纹管式不锈钢换热器，由于其截面的周期性变化，使管内外流体总是处于规律性的扰动状态，流体在管内周期性的能量积累与释放使整个换热器内表面都受到流体冲刷，由于冲刷良好，不易形成污垢层，从而使换热系数得到提高，换热器能够实现长期而稳定的强化传热，其度值较光管式提高23倍。1/31/202219波纹管换热器n简介：简介： 波纹管是以普通光滑换热管为基管，采用无切削滚扎工艺，使管内外表面金属塑性变形而成。 管型：双侧带有波纹。 1/31/202220波纹管换热器n传热机理：传热机理： 波纹管管内被挤出凸肋，

8、从而改变了管内壁滞流层的流动状态，减少了流体传热热阻，增强了传热效果。 1/31/202221波纹管换热器n特点特点1：换热效率高：换热效率高 介质在波纹管内、外流动时，各点的流速大小和方向不断在改变，在低流速下易形成湍流，可减薄层流底层，提高传热膜系数。1/31/202222波纹管换热器n波纹管与光管管内膜传热系数与阻力的对比层流区：随Rehi（达到强化最大值3.7）Pi过渡流区：随Rehi（增加的速度下降）Pi湍流区：随Rehi（增加的速度几乎不变，强化2.6倍）Pi（2.62.7倍） 1/31/202223波纹管换热器n波纹管与光管管外膜传热系数与阻力的对比 在加工时管外被挤压成凹槽，由

9、于波距较大、槽深较浅，故传热表面增加很少。但是波纹状的管壁可以增加流体的湍动，使得壳程传热系数和阻力也有不同程度的增加。 波纹管实际上是一种双侧强化传热管型，管内强化传热效果突出、管外抵不上螺纹管。 1/31/202224波纹管换热器n相同操作条件下，与光管换热器总传热系数与阻力的对比567892310000Re040080012001600K (W/m2.K)corrugated tube (exp.)plain tube (cal.) 567892310000Re020406080pressure drop (kPa)corrugated tube (exp.)plain tube (ca

10、l.)1/31/202225波纹管换热器n特点特点2：自补偿能力强：自补偿能力强 波纹管属柔性元件，可近似看成多个补偿节 ，在大温差、大压差情况下的变形可以自补偿，对管板及壳体的作用力小。 1/31/202226波纹管换热器n特点特点3：防垢和自除垢：防垢和自除垢 由于管壁表面光滑，且介质呈三维流动，不断冲刷管壁表面，污垢不易形成。 在温差和压差作用下会使波纹管发生微小变形，由于管子与垢线膨胀系数相差很大，可使垢自动脱落。1/31/202227波纹管换热器n特点特点4：应力分布均匀：应力分布均匀 独特的自由成型加工工艺，波纹在成型过程中没有金属模具的限位，残余应力小，应力分布均匀， 不宜发生应

11、力腐蚀。 1/31/202228波纹管换热器n特点特点5 5：体积小重量轻：体积小重量轻 因其换热效率高，在同样热负荷条件下所需要设备体积小、重量轻，安装维护方便，从而降低设备总投资。 1/31/202229波纹管换热器n特点特点6 6：节能降耗显著：节能降耗显著 波纹管换热器的传热能力是列管式换热器的 1.5 3 倍，表现为：（1）冷却水消耗量小。相同热负荷下耗水量只有列管式换热器的 30% 50%。（2）泵功耗低，节约电能。 1/31/202230波纹管换热器n应用：应用：EA-4110A/BEA-4110A/B E A-4110A/B为芳烃厂抽提装置溶剂回收塔冷凝器，选用了北京广厦公司的

12、波纹管换热器。该装置于2001年10月一次投产成功；2002年1月，对该装置进行了标定，波纹管换热器各项指标均好于 设计值。 1/31/202231波纹管换热器n应用应用：EA-4110A/BEA-4110A/B技术参数技术参数 设计数据标定值操作参数 壳程 管程 壳程管程 芳烃 水 芳烃 水介质总流率，Kg/h36,99039,306233,750269,990进口温度，54335320出口温度， 40432233进口压力，Mpa(绝压)0.040.50.040.5出口压力， Mpa(绝压)0.0290.470.030.48计算热负荷，GJ/h16.4314.69总传热系数，KJ/m2. .

13、h35703608平均温差， 8.847.82计算面积，m2520采用面积，m2320 x2=640设备型号BHC1100-320-1.0-W管程数2壳程数1换热管规格，mm 25 x 5000折流板形式弓型折流板间距，mm350串联台数，台2 1/31/202232波纹管换热器n应用效益应用效益1： E A-4110A/B波纹管换热器的换热面积为640 m2 ，流程为单壳程双管程，芳烃出口温度小于40 ；若用普通列管式换热器，换热面积1230 m2，流程为单壳程四管程，且芳烃出口温度大于40 。 1/31/202233波纹管换热器n应用效益应用效益2： E A-4110A/B用波纹管换热器，

14、不仅设备重量减少了2/3，体积也减小，相应减少了框架的钢材用量及土建基础的投资。 波纹管能防垢和自除垢，可节省设备的维护费用。 波纹管换热器具有自补偿作用，管子与管板处不易泄露，可延长设备开工周期。 1/31/202234波纹管换热器n应用效益应用效益3： E A-4110A/B波纹管换热器一次性投资84万元，按15年折旧计算，折旧费为5.6万元/年。而波纹管换热器能使冷却水出口温度提高 24 。若以提高 2计，每小时可节水78.6吨 ，若年开工按8400小时计，冷却水按 0.22 元/吨计，一年可节约水费14.5万元，大大高于设备折旧费。1/31/2022355.6 管内插入物换热器 n原理

15、：原理： 用插入物强化管内单相流体传热，尤其是对强化气体、低雷诺数流体或高粘度流体的传热更为有效。各种插入物强化传热的机理是，利用插人物使流体产生径向流动，从而加强流体的混合，获得较高的对流换热系数。管内插入物很多，如螺旋线、扭带、错开扭带、螺旋片和静态混合器等。1/31/2022366.1 折流杆换热器 1/31/202237折流杆换热器 1/31/202238折流杆换热器n结构：结构： 折流杆式换热器是一种以折流栅代替折流板的换热器，它由排布的支撑杆形成一系列的壳程折流，每副单一的折流栅的主要构件包括支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、纵向滑动杆。支撑杆杆端均焊接在圆环折流环上，采用4种不同布置方

16、式的折流栅构成折流栅组。1/31/202239折流杆换热器n原理原理1： 控制一台换热设备传热效率的是传热能力相对较差一侧的传热能力，而这一侧往往是壳程，美国人首先发明了折流杆列管式冷换设备。首先它的轴向流动方式，减少了壳程流体的滞流、回流和死区，减少了压降和污垢沉积；而且杆后的卡门涡街脱落效应在传热管子表面产生紊流，提高了壳侧膜传热系数。1/31/202240折流杆换热器n原理原理2： 折流杆的夹持作用又抑制了破坏性振动，使冷换设备大型化成为可能。但是折流杆传热器不是万能的，它有着自己的局限性，特别在低Re数、高粘度介质中很难形成有效卡门涡街，达不到高传热效率的要求。为进一步提高壳程传热能力

17、，于是产生了螺旋折流板式列管冷换设备。1/31/2022416.2 螺旋折流板换热器n弓形折流板换热器优缺点：弓形折流板换热器优缺点：传统的管壳式换热器多采用弓形折流板。优点是优点是：（1）结构简单； （2）制造方便。1/31/202242螺旋折流板换热器缺点是缺点是：（1）流动死区大，换热系数小。在两个折流通道变向过渡区域，流体取最短路程斜向前进，就形成一个介质相对静止的三角形空间介质滞流区，处于滞流区的管子表面换热很差，相当于减少了一部分换热面积。 （2）流动压降大。弓形折流板在壳体内垂直于换热管束，使壳侧形成若干个并列折返通道。 （3）防污垢沉积能力差。 （4）难以大型化。目前国内最大的

18、冷换设备换热面积只有10002000m2，而国外可以达到5000 6000m2，甚至更多。1/31/202243螺旋折流板换热器 1/31/202244螺旋折流板换热器1/31/202245螺旋折流板换热器 1/31/202246螺旋折流板换热器n特点：特点： 螺旋折流板冷换设备壳程中的介质既不是横向流也不是纵向流，而是一种螺旋状斜向流，该种流动方式能适用包括高粘原油、渣油在内的所有介质，这种结构显著地提高了换热效率，大幅度降低了压力降控制了振动造成的破坏，减少了污垢沉积的可能性，为冷换设备的大型化提供了广阔的前景。1/31/202247螺旋折流板换热器n特点：特点： 介质在壳体内连续平稳旋转

19、流动。避免了大斜度折返带来的严重乐力损失，因为具有低压力降特点。故可利用不同角度调整流通截面，使提高流速成为可能，大量实验证明，高的膜传热系数来源于大的Re数，高的流速是提高Re数的重要条件、而这一条件是传统弓形折流板所不能达到的，因为结构不合理产生的压力降成为它不可逾越的障碍。1/31/202248螺旋折流板换热器n特点：特点： 螺旋折流板改变了壳体结构，在保持较低压力降的情况下大幅度提高介质流速，这样Re数的增加可以提高膜传热系数，因为折流板是螺旋状结构，介质流形成的旋涡从圆心到半径方向存在较大的速度梯度，这个速度梯度场能在管子表面产生湍流，使边界层减薄，利于提高膜传热系数。1/31/20

20、2249螺旋折流板换热器n特点：特点： 另外，由于连续的螺旋支撑，减小了管束跨距，使得管于的固有频率避开了流体的激振频率，避免厂因共振引起的破坏，从而延长设备运行寿命，降低设备维修费用。由于流体螺旋运动的有效冲刷，污垢沉积减少，热阻稳定性增加，使换热器氏期远行在高效状态，达到了节能的目的。1/31/202250螺旋折流板换热器n特点：特点：(1)螺旋流动增强了流动湍动，强化传热； (2)相同流量下，流动压降小；(3)不易结垢；(4)消除了弓形折流板后面的卡门涡，防止流动诱导振动；(5)对于低雷诺数下(Re1000)的传热，其效果更为突出。1/31/2022516.3 纵流管束换热器n原理：原理

21、： 德国GRIMMA公司制造的一种整圆形折流板换热器，其结构为折流板上开横排管孔，以4个孔为一组将管板处铣通，壳侧流体在管板处沿着轴向流动，避免了流体团转折引起的滞留区。该公司用不同粘度的甘油和水混合物进行实验，结果表明在中低粘度范围内，纵流管束换热器传热效果明显优于传统的圆缺形折流板换热器。1/31/2022526.4 高效沸腾传热管n原理：原理： 强化沸腾传热的方法主要有各种特殊加工和表面处理、肋化表面、移置式强化物、涡流装置及静电场等。 目前国内外使用较多的是机加工成型的表面多孔管。其中美国联合碳化公司的HIGH-FLUX，日本日立公司的E管和改进型Ea管，德国Wieland-Werke

22、 公司的T管最为著名，占据了主要的市场。1/31/202253高效沸腾传热管nT管：管： 以光滑管为毛坯，配以合适刀、模、夹具，采用无切屑机械滚轧方法即可成形。成形后的T形翅片管外表面为比较密集的带螺旋状的T字形翅片，翅片间形成一道细小的狭缝，狭缝下方为比较宽阔的螺旋隧道。这种特殊的表面结构能促进在管外沸腾的液体变成为在隧道壁上进行的极其高效的液膜蒸发。1/31/2022547.1 板壳式换热器n简介：简介： 芬兰Vahterus（伐德鲁斯）板壳式换热器自1990年发明以来，经过不断的研究开发，现已发明了全焊接的板壳式换热器。具有管壳式换热器耐高温、高压、安全可靠，并且有板式换热器的高效紧凑、小温差换热的特点。可作为换热器、蒸发器、冷凝器等广泛地应用于化工、制冷、能源等领域。1/31/202255板壳式换热器n特点：特点：1. 设计：压力（Mpa）110，设计温度 -80400 , 特殊设计 600。 2. 规格齐全m2：0.071500 m2/台。 3. 传热系数：5004000 W/m2 .K。 4. 最小对数温差：1。 5. 对于全焊接构，不需要更换垫片，