传热学-影响间壁式换热器性能的因素及强化措施

1、传热学-影响间壁式换热器性能的因素及强化措施间壁式换热器主要以热传导、对流形式传热。但管壁导热热阻较小， 对传热影响不大.影响其传热过程的因素主要来自对流传热过程，其中 影响较大的有以下几方面。1）流体的种类和相变:不同的液体、气体或蒸汽的对流传热系数 都不相同，牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别。流体有相变的传热过 程，其传热机理不同于无相变过程，所以传热系数不同。2）流体的特性： 对对流传热系数影响较大的流体物性有导热系数、乳度、比热容、密度 以及体积膨胀系数。对同一种流体，流体的物性不同，对流传热系数亦 不同。3）流体的流动状态：由层流和湍流的传热机理可知，流体处于层 流状态，对流传热系数

2、较小，流体处于剧烈的湍流状态时，对流传热系 数大。4）流体流动的原因:按引起流动的原因分，对流传热分为自然对 流和强制对流。强制对流的传热系数较自然对流的传热系数大几倍甚至 几十倍。5）传热面的形状、位置和大小:传热面的形状（如管、板、环隙、 翅片等）、传热面方位和布置（水平或垂直放置，管束的排列方式等）及 管道尺寸（如管径和管长等）都直接影响对流传热系数。6）流体的温度： 流体的温度对对流传热的影响表现在流体温度和壁面温度之差、流体物 性随温度变化的程度以及附加自然对流等方面。此外，由于流体内部温 度分布不均匀，必然导致密度的差异，从而产生附加的自然对流，这种 影响又与热流方向及管子排列情况

3、等有关。此外，换热器在实际操作中，传热表面上常有污垢积存，对传热产生附加热阻，所以生产用的换热器要防止和减少污垢层的形成，降低 其对传热效果的影响。2间壁式换热器传热过称的强化路径换热器传热过程的强化就是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。其意义在于:在设备投资及输送功耗一 定的条件下，获得较大的传热量，从而增大设备容量，提高劳动生产率； 在设备容量不变的情况下使其结构更加紧凑，减少占地空间，节约材料， 降低成本:在某种特定技术过程中使某些特殊工艺要求得以实施等。换 热设备传热计算的基本关系式揭示了换热设备的传热速率Q与总传热系 数K、平均温度差以及传热面积A之间的关系

4、。因此，要使换热设备的 传热过程得到强化，可以通过提高传热系数，增大换热面积和增大平均 传热温差来实现。2.1增大传热面积A.增大传热面积，是指从设备的结构入手，通 过改进传热面的结构来提高单位体积的传热面积，而非靠增大换热器的 尺寸.使用多种高效能传热面，不仅使传热面得到充分的扩展，而且还 是流体的流动和换热设备的性能得到相应的改善。主要型式介绍如下：1）翅化面（肋化面）：用翅（肋）片来扩大传热面面积和促进流体的 湍动，从而提高传热效率，是最早提出的方法之一翅化面的种类和型式 很多，用材广泛，制造工艺多样，翅片管式换热器、板翅式换热器等均 采用此法强化传热。2）异形表面:用轧制、冲压、打扁或

5、爆炸成型等方法将传热面制 造成各种凹凸形、波纹形、扁平状等，使流道截面的形状和大小均发生 变化。这不仅使传热表面有所增加，还使流体在流道中的流动状态不断 改变，增加扰动，减少边界层厚度，从而强化传热。3）多孔物质结构:将细小的金属颗粒烧结或涂敷于传热表面或填充于传热表面间，以实现扩大传热面积的目的。4）采用小直径管:在管壳式换热器设计中，减小管子直径，可增 加单位体积的传热面积。据测算，在壳径为100011 .以下的管壳式换热 器中，把换热管直径由。改为.，传热面积可增加3溅以上。另一方面， 减小管径后，使管内湍流换热的层面内层减薄，有利于传热的强化。2.2增大平均温度差。增大平均温度差，可以

6、提高换热设备的传 热效率。平均温度差的大小主要取决于两流体的温度条件和两流体在换 热器中的流动形式。可以从以下两方面增大平均温度差:一是在冷流体 和热流体进出口温度一定时，利用不同的换热面布置来改变平均温度差. 如尽可能使冷、热流体相互逆流流动，或采用换热网络技术，合理布置 多股流体流动与换热;二是扩大冷、热流体进出口温度的差别以增大平 均传热温差。但此法受生产工艺限制，不能随意变动，只能在有限范围 内采用。2.3提高总传热系数K。提高换热设备的传热系数以增加换热量， 是传热强化的重要途径，也是当前研究传热强化的重点.当换热设备的 平均传热温差和换热面积给定时，提高传热系数将是增大换热设备传热

7、 量的唯一方法。提高传热系数的方法大致可分为主动强化（有源强化）和 被动强化（无源强化）.主动强化:只需要采用外加的动力（如机械力、电磁力等）来增强 传热的技术。主要强化包括:对换热介质做机械搅拌、使换热表面震动 或流体振动、将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合、将 异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走等技术。被动 强化:指除了输送传热介质的功率消耗外不再需要附加动力来增强传热 的技术。被动强化主要包括:涂层表面、粗糙表面、扩展表面、扰流元 件、涡流发生器、射流冲击、螺旋管以及添加物等手段。由于主动强化 传热技术要求外加能量等因素的限制，工程中采用更多的是被动强化传 热技术。3