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管壳式换热器节能技术研究
 [摘要]近年来,伴随着我国社会经济水平的不断发展与进步,有效资源逐年减少,严重制约了社会的可持续发展。面对着如此危急的局面,国内来越来越重视对国内外换热器节能技术的研究,尤其是对换热器强化传热技术研究更为显著。本文将从换热器的管程与壳程二方面了解换热器强化传热技术的传热机理以及应用范围,并对换热器强化后的传热技术优缺点加以分析与探讨,并针对其缺陷制定相应的改进措施,为实现世界的可持续发展打下坚实的基础。
[关键词]管壳式换热器 管程 壳程 强化传热
管壳式换热器怎样节能?如何节能?怎么实现节能?
 
二十一世纪以来,能源紧张问题一直困扰着各个国家实施可持续发展战略,为此,国内外学者为解决能源紧张这一难题纷纷致力于对换热器节能技术的研究。经过诸多研究者积极进取精神以及不懈努力之后,并在换热器节能技术山取得了丰硕的成果。现阶段,换热器节能技术已经广泛的运用于化工、石油、动力等高能耗产业中,并为实现以上高能耗产业的又好又好开展起着不可磨灭的作用。在诸多类型换热器之中,以管壳式换热器最为有效以及广泛,本文将以管壳式换热器为例,分别管程节能技术以及壳程节能技术两方面进行对壳程换热器分析研究。
1管程节能技术分析研究
通常情况下,管壳式换热器的管程节能技术主要是通过改变管内插人物或者是传热面的形貌来扩大流体湍流度以及传热面积,进而,实现管壳式换热器管程的强化传热。
1.1带内凸肋结构管
现行的管壳式换热器的管壁上有着内凸肋结构,主要是以螺旋槽管与横纹管为主。相比之下,螺旋槽管与横纹管具有较好的传热性能,一般情况下二者可以相互替换,首先是螺旋槽管,螺旋槽管诸多功能都是由管壁所完成的,管壁能够帮助螺旋槽纹在有相变与无相变的传热过程中提高管内外的传热系数,之后.通过冷凝液膜产生周围的表面张力作用,促使平均冷凝液膜逐渐减薄,进一步的减少冷凝传热热阻。
其次是横纹管,横纹管是以普通圆管作为毛胚,在关外壁滚扎出与轴线垂直的凹槽,同时在管内形成一圈突起的环肋。并通过环肋的作用使其管壁附近形成轴向漩涡。利用漩涡的涡流的作用,使其保持管式换热器的强化传热作用,并且带内凸肋结构还具有双面强化传热的作用,并且可适用于对流、沸腾以及冷凝等诸多工况,以上所述就是带内凸肋结构管换热器的传热原理。
1.2内翅片管
内翅片管是管壳式换热器实现强化传热的重要组成部分,该内翅片管是由特殊的焊接工艺与设备加工而成,通过在传热管管内扩大传热面积以及强化管内传热的途径来提高换热器的传热性能。同时,内翅片管不仅仅能够产生有利于起强化换热的漩涡,改变其内部流场及温度场的分布状况的作用,而且还大大的增加了换热壁面附近的温度梯度以及其流场的湍动能。鉴于内翅片与管壁之间存在着接触热阻,使其在流体高雷诺数时更加明确以及因翅片的存在使得换热管难以清洗,因此,一般情况下,内翅片管仅仅用于强化管内单向流体的传热。
1.3管内插入物
管内插人物也是管壳式换热器的重要组成部分,与内翅片管相比,管内插入物在进行实现强化传热时有较大的局限性,并且管内插人物种类形式繁多,且结构复杂,其管内插件的形式主要包括三类:即强化旋流,如纽带和半纽带形式-促进湍流,如螺旋线、片条、斜环片等形式-置换型强化器,包括静态混合器、交叉锯齿带、球形体等形式。同时该管内插入物适用条件也是比较严格,即只有按照具体的工况选择特定的插人物,才可以使其发挥出应有的传热功能。例如在湍流的情况下,因流体传热主流大都集中于近管壁处较薄的传热层流底层中,若采用纽带进行强化传热,基于纽带的种种限制,将不能够预期的执行。
2壳程节能技术分析研究
换热器壳程强化传热的方法分别是改变管问支撑的结构和传热管外表面的结构。
2.1管外传热
传热管外表面强化的改变主要的方法是在传热管的外表面上增加多孔表面和沟槽等。外表面带沟槽、传热管这两者对加强管外蒸汽的冷凝有很明显的效果,传热机主要的理论是:沟槽会让气膜和液膜层造成旋流,把气膜层的稳定打破;同时,由于表面的张力作用和重力的分力以及在其气液相界面的剪切力作用下让冷凝液快速向沟槽流去,进而使液膜边界层的厚度消减了。并且这些沟槽都是由于挤压这种换热管而形而成的,其槽底部的应力值特别大,随着槽的深度不断增加,应力集中就更加的严重。这就有可能由于应力集中使得这种换热管在工作环境的条件下发生断裂事故。为了尽量避免这些事故的产生,在我们设计过程中,应对其结构的尺寸进行精确确定,并进行弯曲、拉伸以及疲劳强度的试验,以保证设计的可靠性。
2.2表面多孔管
按照加工的方法,表面多空管一般有烧结的多孔表面管、通过化学腐蚀加工的多孔表面管、机械加工制造的多孔表面管等几种。多孔表面管的表面特别粗糙,造成多孔的隧道,增加了其气化核心.容易产生泡核沸腾,这样对沸腾时强烈的对流给热有很大的帮助。北京化工大学曾经拿丙酮作介质,测试了以烧结法造成的表面多孔管上沸腾时给热的系数,大约是光滑管的78倍。表面多孔管也有一些缺陷:通过化学腐蚀法生产的多孔表面管的传热性能得到明显的强化,但是多孔层当中的金属也极易被氧化,进而使微孔出现堵塞或掩盖的现象,使其寿命变短。而通过机械加工的方法虽说可以大量的制造多孔管,但是它没有办法加工特别小的孔隙,因而对传热性能的提高有很大的限制。相对而言,通过烧结的方法加工的换热管综合性能要比以上两种好得多。
2.3管问支撑结构
不同形状折流板管壳式换热器都是运用固有的单弓形状折流板,而壳程流体容易造成流动死角,不能把传热面积充分利用,容易结垢,使流体的阻力变大。研究工作人员发现,改变换热器壳程流体的流动方式和速度,可以通过改变折流板的布置方式和结构形式,减少壳程容易结垢的死角,进而提升传热效率。经常最多见到的异形折流板有螺旋式折流板、双弓形状折流板等等。
结语
日前,以采用改进换热器结构与强化传热元件为主的强化传热技术一直是一种能够极大地改善换热器传热性能的节能技术。
根据传热物流条件的不同情况,壳程传热强化的研究必然与强化传热管的优化组合相联系,这是今后换热器强化传热技术发展的方向。

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