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間壁式換熱器傳熱過程影響因素分析及其強化途徑

點擊:1980 日期:[ 2014-04-26 21:54:12 ]
                  間壁式換熱器傳熱過程影響因素分析及其強化途徑                                 李沛虹   趙彩俊                          (中國礦業大學江蘇徐州221006)     摘要:結合間壁式換熱器的傳熱過程,探討影響間壁式換熱器傳熱過程的因素,并提出強化傳熱的方法途徑。     關鍵詞:間壁式換熱器:傳熱;影響因素;強化途徑     中圖分類號:TQO文獻標識碼:A文童編號:1671一7597(2010)0710079一01     0·引言     在化工生產中經常遇到冷、熱流體不允許混合的換熱問題,例如熱油和冷卻水之間的換熱,此時就必須采用間壁式換熱器來完成上述換熱過程。間壁式換熱器冷、熱流體的傳熱過程包括以下三個步驟:熱流體以對流方式將熱量傳遞給管壁;熱量以熱傳導方式由管壁的一側傳遞至另一側;傳遞至另一側的熱量又以對流方式傳遞給冷流體。此過程受諸多因素的影響,生產中常通過強化換熱來達到一定的經濟效益。     1.晌閱l式挽熱.傳熱過程的目.     間壁式換熱器主要以熱傳導、對流形式傳熱。但管壁導熱熱阻較小,對傳熱影響不大.影響其傳熱過程的因素主要來自對流傳熱過程,其中影響較大的有以下幾方面。     1)流體的種類和相變:不同的液體、氣體或蒸汽的對流傳熱系數都不相同,牛頓型流體和非牛頓型流體也有區別。流體有相變的傳熱過程,其傳熱機理不同于無相變過程,所以傳熱系數不同。2)流體的特性:對對流傳熱系數影響較大的流體物性有導熱系數、乳度、比熱容、密度以及體積膨脹系數。對同一種流體,流體的物性不同,對流傳熱系數亦不同。3)流體的流動狀態:由層流和湍流的傳熱機理可知,流體處于層流狀態,對流傳熱系數較小,流體處于劇烈的湍流狀態時,對流傳熱系數大。4)流體流動的原因:按引起流動的原因分,對流傳熱分為自然對流和強制對流。強制對流的傳熱系數較自然對流的傳熱系數大幾倍甚至幾十倍。5)傳熱面的形狀、位置和大小:傳熱面的形狀(如管、板、環隙、翅片等)、傳熱面方位和布置(水平或垂直放置,管束的排列方式等)及管道尺寸(如管徑和管長等)都直接影響對流傳熱系數。6)流體的溫度:流體的溫度對對流傳熱的影響表現在流體溫度和壁面溫度之差、流體物性隨溫度變化的程度以及附加自然對流等方面。此外,由于流體內部溫度分布不均勻,必然導致密度的差異,從而產生附加的自然對流,這種影響又與熱流方向及管子排列情況等有關。     此外,換熱器在實際操作中,傳熱表面上常有污垢積存,對傳熱產生附加熱阻,所以生產用的換熱器要防止和減少污垢層的形成,降低其對傳熱效果的影響。     2·間壁式換熱器傳熱過稱的強化路徑     換熱器傳熱過程的強化就是力求使換熱器在單位時間內,單位傳熱面積傳遞的熱量盡可能增多。其意義在于:在設備投資及輸送功耗一定的條件下,獲得較大的傳熱量,從而增大設備容量,提高勞動生產率;在設備容量不變的情況下使其結構更加緊湊,減少占地空間,節約材料,降低成本:在某種特定技術過程中使某些特殊工藝要求得以實施等。換熱設備傳熱計算的基本關系式揭示了換熱設備的傳熱速率Q與總傳熱系數K、平均溫度差以及傳熱面積A之間的關系。因此,要使換熱設備的傳熱過程得到強化,可以通過提高傳熱系數,增大換熱面積和增大平均傳熱溫差來實現。     2.1增大傳熱面積A.增大傳熱面積,是指從設備的結構入手,通過改進傳熱面的結構來提高單位體積的傳熱面積,而非靠增大換熱器的尺寸.使用多種高效能傳熱面,不僅使傳熱面得到充分的擴展,而且還是流體的流動和換熱設備的性能得到相應的改善。主要型式介紹如下:     1)翅化面(肋化面):用翅(肋)片來擴大傳熱面面積和促進流體的湍動,從而提高傳熱效率,是最早提出的方法之一翅化面的種類和型式很多,用材廣泛,制造工藝多樣,翅片管式換熱器、板翅式換熱器等均采用此法強化傳熱。     2)異形表面:用軋制、沖壓、打扁或爆炸成型等方法將傳熱面制造成各種凹凸形、波紋形、扁平狀等,使流道截面的形狀和大小均發生變化。這不僅使傳熱表面有所增加,還使流體在流道中的流動狀態不斷改變,增加擾動,減少邊界層厚度,從而強化傳熱。     3)多孔物質結構:將細小的金屬顆粒燒結或涂敷于傳熱表面或填充于傳熱表面間,以實現擴大傳熱面積的目的。     4)采用小直徑管:在管殼式換熱器設計中,減小管子直徑,可增加單位體積的傳熱面積。據測算,在殼徑為100011.以下的管殼式換熱器中,把換熱管直徑由。改為.,傳熱面積可增加3濺以上。另一方面,減小管徑后,使管內湍流換熱的層面內層減薄,有利于傳熱的強化。     2.2增大平均溫度差。增大平均溫度差,可以提高換熱設備的傳熱效率。平均溫度差的大小主要取決于兩流體的溫度條件和兩流體在換熱器中的流動形式。可以從以下兩方面增大平均溫度差:一是在冷流體和熱流體進出口溫度一定時,利用不同的換熱面布置來改變平均溫度差.如盡可能使冷、熱流體相互逆流流動,或采用換熱網絡技術,合理布置多股流體流動與換熱;二是擴大冷、熱流體進出口溫度的差別以增大平均傳熱溫差。但此法受生產工藝限制,不能隨意變動,只能在有限范圍內采用。     2.3提高總傳熱系數K。提高換熱設備的傳熱系數以增加換熱量,是傳熱強化的重要途徑,也是當前研究傳熱強化的重點.當換熱設備的平均傳熱溫差和換熱面積給定時,提高傳熱系數將是增大換熱設備傳熱量的唯一方法。提高傳熱系數的方法大致可分為主動強化(有源強化)和被動強化(無源強化).     主動強化:只需要采用外加的動力(如機械力、電磁力等)來增強傳熱的技術。主要強化包括:對換熱介質做機械攪拌、使換熱表面震動或流體振動、將電磁場作用于流體以促使換熱表面附近流體的混合、將異種或同種流體噴入換熱介質或將流體從換熱表面抽吸走等技術。被動強化:指除了輸送傳熱介質的功率消耗外不再需要附加動力來增強傳熱的技術。被動強化主要包括:涂層表面、粗糙表面、擴展表面、擾流元件、渦流發生器、射流沖擊、螺旋管以及添加物等手段。由于主動強化傳熱技術要求外加能量等因素的限制,工程中采用更多的是被動強化傳熱技術。     3·結語     總之,間壁式換熱器設計過程中要考慮盡可能多的影響因素,其中污垢的影響不容忽視,同時結合強化傳熱過程的方法,向尺寸小、重量輕、換熱能力大的換熱器方向發展。另外,實際生產過程中,也要考慮換熱器使用的經濟性和合理性。     參考文獻: 1·鄭津洋等,過程設備設計[M].北京:化學工業出版社,2005.5,P274-282. 2·柴誠敬,化工原理上冊[M].北京:高等教育出版社,2006.1,PZ16-270. 3·蔣維鈞等,化工原理上冊山〕.北京:清華大學出版社,2009.2,P298-406. 4·朱躍釗等,傳熱過程與設備〔M].北京:中國石化出版社,2008,PIO一49. 作者簡介:李沛虹(1988一),女,漢族,山西晉中人,中國礦業大學化工學院07級過程裝備與控制工程專業:趙彩俊(1988一),女,漢族,山西晉中市,中國礦業大學礦業工程學院07級工業工程專業。
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