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強化傳熱在換熱器中的應用

點擊:1329 日期:[ 2014-04-20 00:59:05 ]

  換熱器在石油煉制、石油化工生產中是保證加工過程正常運轉的重要設備。據統計,在現代石油化工生產中,換熱器的投資約占設備總投資的30 %~40 %[1 ] ,因此,節約能耗、物耗和節省投資,應用強化傳熱技術、減少設備尺寸,減輕設備重量,增強換熱器的換熱工況是每個工程設計人員追求的目標。

  強化傳熱是近年發展較快的一種新技術,備受熱工界的重視。各主要工業國都對此進行了大量的開發研究工作,不少成果已在工業上應用,并被譽為第二代傳熱技術。通過對國內外強化傳熱技術在換熱器中的應用及發展動態進行調查和對比,分析了幾種強化換熱技術的適用范圍,企盼為廣大工程設計人員提供研究和應用的參考。2強化技術的目的和種類2. 1強化傳熱的目的

  不同的工藝對強化換熱的具體要求也不相同,歸納起來,應用強化傳熱技術可以實現下述目的。⑴減小設計傳熱面積,以減小換熱器的體積和質量。⑵提高現有換熱器的換熱能力。⑶使換熱器能在較低溫差下工作。⑷減小換熱器的阻力,以減少換熱器的動力消耗。2. 2強化傳熱技術的種類

  提高傳熱系數的傳熱技術可分為有功強化傳熱技術和無功強化傳熱技術兩類。有功強化傳熱技術需要應用外部能量來達到強化傳熱的目的;無功強化傳熱技術則無需應用外部能量。

  有功強化(亦稱主動式強化)傳熱技術包括:機械強化法,振動、電場、磁場、光照射、噴射沖擊等。

  無功強化(亦稱被動式強化)傳熱技術包括:表面特殊處理法、粗糙表面法、擴展表面法和擾動流體法等。兩種傳熱技術與光管對比結果,見表1。

  有功強化傳熱和無功強化摶熱可以綜合利用,以達到更好的傳熱效果。這種強化傳熱技術稱為合成強化傳熱。3強化傳熱技術

  比較有效并有發展前景的強化傳熱技術主要有:處理表面法、粗糙表面法、擴展表面法、流體旋轉法及靜電場法等。每種強化傳熱技術都有其局限性和適用范圍。3. 1處理表面法

  滴狀冷凝比膜狀冷凝傳熱系數高,表面張力大的流體更是這樣。所以一般必須對冷凝壁面進行處理,以造成一個不為凝結液體濕潤的冷凝壁面,經常采用的方法有三種:化學覆蓋層法、聚合物涂層法和電鍍法[1 ]。這方面美、日、法三國研究較多[2 ]。日本川崎公司鈍化換熱管時,在溴化鋰溶液中加入辛醇,使辛醇在換熱管表面形成一層薄液膜,水蒸汽在膜上呈滴狀凝結。試驗結果證明,蒸汽冷凝傳熱系數提高20 % ,但處理表面隨著使用時間的延長,效率會逐漸降低。3. 2粗糙表面法

  在液體傳熱場合,這種強化技術可以大大提高傳熱系數。因為,在層流狀態下,如管壁粗糙度較小,低速流體貼著管壁平滑地流過,不形成漩渦,但當相對粗糙度h/ R ,即粗糙高度與管子內半徑之比增大時,流體不再平滑地流過管壁,在管壁附近會形成漩渦,即粗糙度對換熱和阻力產生影響。

  美國采取在換熱管內涂金屬涂層的方法,在管內形成砂粒型粗糙表面。試驗結果發現,可使傳熱系數強化1. 1倍,但粗糙壁面受結垢影響故對工質要求較嚴。英國Horwell試驗室制造的內表面有槽的EHT型換熱管的換熱系數提高了1. 5倍。關于粗糙表面法強化傳熱技術,美國很多資料都有介紹。3. 3擴展表面法

  當換熱管一側是氣體,一側是液體進行強制對流換熱時,最常用的強化手段是采用擴展表面的方法。因為氣體的給熱系數比液體的小得多,一般小10~50倍。眾所周知,傳熱系數K值的變化主要取決于較少給熱系數側的變化,因此在氣體側采用異形擴展換熱面,可以使普通擴展換熱面的換熱系數再提高50 %~150 % ,從而縮小換熱器尺寸。

  異形擴展面常用的形式很多,如交叉短肋型、波型翅多孔型、百頁窗型、低翅片管型、銷釘型等。立式換熱器則可采用螺紋管、縱槽管和波紋管等強化傳熱,效果顯著。該項強化技術已有許多成功經驗和定型技術,國內應用也不少,哈爾濱科技大學、西安交通大學等對翅片管的研究都具有較高的水平。據資料介紹[3 ] ,日本現正在積極研究新型擴展表面。3. 4流體旋轉法

  這種強化技術主要用于單相流體管內強制對流換熱,使管內流體發生旋轉運動。流體發生旋轉可使貼近壁面的流體速度增加,同時還改變了流體的流動結構,加速了邊界層流體的攏動及邊界層流體和主流流體的混合,強化傳熱過程。

  在實際應用中,能使流體旋轉且在工藝上可行的方法有:在管內插入各種可使流體旋轉的插入物,諸如扭帶、錯開扭帶、靜態混合器、螺旋片及金屬線圈等;在換熱管內壁上開設內螺紋;采用滾壓成型的螺旋槽管及內肋管等。美國在這方面的研究處于領先地位。3. 5添加劑法

  在流動液體中加入氣體或固體顆粒、在氣體中噴入液體或加入固體顆料,都可起到強化單相流體強制換熱的作用。這些強化傳熱的方法統稱為添加劑法。添加劑用于強化液體傳熱效果并不顯著[4 ] ,在水流中加入氮氣的試驗,發現傳熱系數僅增大了50 %;在油中加入聚苯乙烯小球的試驗也只是使換熱系數增大了40 %左右。

  對空氣中噴入液滴時的傳熱工況進行的研究表明[2 ] ,如能在換熱面上形成連續液膜,則換熱系數最多可增加30倍。

  在氣體中加入少量固體顆粒可以強化氣體側的傳熱。固體顆粒隨氣體一起流動,可以減薄熱阻最大的邊界層厚度。添加劑強化技術的研究,英國、美國居領先地位。3. 6靜電場法

  研究該項技術的文獻較少。在液體中加一靜電場以強化單相流體的對流換熱量是一種有吸引力的強化傳熱方法。這種方法對氣體和液體的自然對流和強制對流都能產生一定的強化傳熱效應。

  在靜止流體中加上足夠強度的靜電場后,會促使流體流動,形成一股所謂的電暈風。它在一定條件下能強化單相流體的對流換熱。日本Mizushina以空氣為介質,進行環形通道內電暈風對強制對流影響的試驗,分別得到了存在電暈風時的努賽爾數及阻力系數與雷諾數關系曲線及經驗公式。

  采用靜電場可使蒸發器的傳熱系數提高一個數量級,并克服油類介質對泡核沸騰的影響,也能使冷凝液膜產生波狀失穩,引起膜層減薄,進而降低熱阻,使傳熱系數增加2倍。4國內應用情況

  我國強化換熱技術的研究起步較晚。在處理表面技術上,大連理工大學采用磁控濺射離子鍍鉻的方法處理銅管,使傳熱系數提高40 %以上。華南理工大學進行過粗糙表面法試驗,得到了優化的幾何尺寸。擴展表面法研究的最多,在工業上應用的也最多,與光管比較結果見表2。其中西安交通大學、哈爾濱科技大學、華南理工大學、重慶大學等都有側重研究,有些成果已工業化。

  5結束語

  單相流體強制換熱和有相變強制對流換熱的規律是大不相同的。因而,采取的強化傳熱技術和效果也大不相同,即使在同一管道中流動的單相流體,如果流動狀態不同,其強制對流換熱過程也不同。在氣-液換熱器中,液體側的傳熱系數大大高于氣體強制對流值。在某些氣-氣換熱器中,傳熱面兩側的傳熱系數也存在差別,因此應根據不同的工況決定采取哪種強化技術。鑒于強化傳熱的諸多優點,在石油化工生產裝置上廣泛采用此項技術,一定會取得可觀的經濟效益。


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