1、波紋管換熱器性能及效益分析晨怡熱管2008-5-20 0:10:511、 引言換熱器是熱能交換的主要設備，在熱電聯產、集中供熱、石油化工、油品輸送、冶金、輕工及賓館、 醫院等領域具有廣泛的應用。 下面我要分析介紹的波紋管換熱器，是我公司根據客戶要求及借鑒外來經驗設計研制的換熱器，是一種新型的高性能的熱交換器，是換熱器家族中一個高新技術產品， 也是我國自己研制與應用的唯一具有競爭力及優越性能的換熱器。其具有高效、安全、可靠、節能、不易堵漏、密封周期長的，綜合性優點，尤其適合在高溫、高壓的條件下實用。本文根據傳熱學原理， 對波紋管換熱器的結構特點，進行了詳細的理論及技術性能分析、經濟效益和社會效益

2、的分析。對今后壓力容器行業換熱器產品的更新改造有著較大的借鑒意義。2 波紋管換熱器的主要結構特點2.1 傳熱原理我們先來分析一下間壁兩側流體熱交換過程: 流體在圓管流動時，分層流層和湍流層，介質在管各點的速度隨該點與管中心的距離而變，距離管壁附近流速最慢， 為層流層， 越離管壁較遠處，流速越快，為湍流層。物質間熱交換過程有三種：熱輻射、 對流傳熱和熱傳導。 化工中常遇到的是溫度不太高的流體間的熱交換問題 , 此時輻射傳熱通常可不予考慮。熱量自熱流體傳到間壁表面的一側,或自間壁另一側表面傳給冷流體, 都屬于對流傳熱。對流傳熱是在流體流動的過程中發生的熱量傳遞現象 , 所以和介質流動的情況密切相關

3、。即使是在湍流流動的情況下，流體主流中由于旋渦叢生，流體各部分相互混合，所以熱阻很小，從而在和流體流動方向垂直的截面上，湍流中心區各點流體之間的溫度趨于一致；但在緊靠壁面處， 總有一層流體膜順著壁面作層流流動，稱為層流底層。在冷流體一側，熱量在傳入冷流體主體之前，必須首先通過它。由于通過這層流體膜的傳熱是以導熱方式進行的，所以流體膜雖薄， 卻是對流傳熱的主要熱阻，溫度降也主要集中在層流底層中。圖 1 為對流傳熱時沿熱流方向的溫度分布情況示意圖。圖中 F1F1 與 F2F2 為層流底層的界面， T 為熱流體中心溫度，也即最高溫度，t為冷流體中心溫度，也即最低溫度。在熱流體的湍流主體中，由于流體質

4、點充分混合，溫度基本上是一致的，即圖中T 。在層流底層，由于熱阻較大，溫度急劇由Tb 下降到 Tw。在層流底層和湍流主體之間，存在一個溫度逐漸變化的區域，稱為過渡區，其中溫度由T 下降到 Tb 。再往左通過管壁，因其材料通常為金屬，熱阻很小，因此，管壁兩側的溫度Tw 和 tw 相差很小，此后在冷流體，又順次通過層流底層、過渡區而到達湍流主體，溫度由tw 經 tb下降到 t 。圖中曲線 twtbt和曲線TTbTw 的意義相似。圖 1 對流傳熱時沿熱流方向溫度分布情況2.2總傳熱系數影響因素傳熱學傳熱速率公式如下：Q=KA(T-t)-（ 2-1 ）式中 : Q-換熱量K-換熱系數A-換熱面積(T-

5、t)-傳熱溫度差從公式（ 2-1 ）可以看到，換熱量和換熱系數K 成正比，要提高換熱器的熱交換能力，就必須想辦法提高換熱系數K 值。對流傳熱時根據傳熱學原理, 圓筒型壁熱交換管的總熱阻公式為：1/K=1/ 1+b/ (d1/dm)+1/ 2(d1/d2)+Rs(d1/d2)-（2-2 ）式中 : K-總傳熱系數1、2-管殼程對流傳熱系數b-換熱管壁厚-換熱管傳熱系數Rs-污垢熱阻d1 、d2 、 dm-分別為換熱管徑、外徑、中徑2.3提高換熱器換熱性能途徑分析:由 2.1 間壁兩側流體熱交換過程及公式（ 2-2 就要努力降低總熱阻 1/K ，既提高總熱交換系數如下途徑：）可以看出，要想提高熱交

6、換器的換熱性能，K 值，從中不難看出提高換熱系數K 值有1 ）減少層流層，增加湍流層，從而提高對流傳熱系數1、 2：由化工原理中有關傳熱學知道，K 值幾乎主要取決于對流傳熱系數，體兩側的對流傳熱系數1、 2。則必須設法同時提高流2 ）減少傳熱距離，既減小換熱管壁厚b。3 ）提高傳熱系數可以通過選用導熱性能好的換熱管材料實現。4 ）降低污垢熱阻Rs當污垢熱阻起很大作用時，則必須設法減慢污垢生成速率或勤予清洗。2.4波紋管換熱器結構特點:如圖 2 所示為波紋管換熱器的一般設計結構, 其外表與普通換熱器相同, 殼程采用普通的圓筒形結構，其與普通換熱器相比，最大的特點是管程采用薄壁不銹鋼波紋式換熱管,

7、 波紋換熱管結構組件見圖 3 ，它是由壁厚為 0.5mm 0.7mm 的管料經過擠波器設備加工而成，使換熱管壁形成一個個凸起，并經過與其焊接的管套，與管板進行強度焊接而成。圖 2波紋管換熱器結構圖 3 波紋換熱管結構組件3 波紋管換熱器性能分析3.1波紋管換熱器換熱性能分析:(1)良好的對流傳熱性能由于換熱管壁制造成一個個的波紋, 所以介質在管流動時 , 其層流層被凸凹不平的壁面所破壞,這樣就大大提高了介質的湍流層, 形成不斷的旋渦式湍流流動 ,可達到更充分的換熱效果，從而提高了介質間的對流傳熱系數（可大約提高 2 倍），降低了對流熱阻1/ ，使波紋換熱器具有良好的對流傳熱性能。(2)良好的熱

8、傳導性能本設備波紋換熱管采用不銹鋼薄壁管制成，不銹鋼具有良好的熱傳導性能，即熱傳導系數 大。切采用 .5 0.7 的薄壁管 , 這樣就保證減小了傳導熱阻b/ 值。普通換熱器的換熱管壁厚一般厚度達 , 而波紋管換熱器與之相比，同材質情況下可提高熱傳導性能倍。所以它具有良好的熱傳導性能。(3) 較低的污垢熱阻由于換熱管采用波紋形, 所以介質在換熱管外壁流過時, 增加了湍流流速, 形成了一個個向前不斷渦流流動的流態， 大大減少了介質在換熱管外壁上積垢的可能， 從而大幅度降低了污垢熱阻 Rs 。(4) 單位容積傳熱面積大由于換熱管是由光管連續脹形, 外表面形成一圈圈的波紋, 所以外表面積均比同長度的光

9、管大, 如用 27X0.7光管制成后的波紋管表面積可以比原來增大20%左右，所以同殼徑的換熱器，裝有同數量的換熱管，裝波紋管的可以比裝光管的換熱面積大。從以上分析可知，波紋管換熱器具有良好的熱交換性能。3.2波紋管換熱器使用性能分析(1)不污、不堵、不結垢由于該設備的換熱管采用不銹鋼材料制成，換熱管為波紋形的特點，增大了介質的湍流層，減少了易滯留積垢的平流層，大幅度減少了換熱管外壁積污的可能, 故防堵性能好，管程耐蝕性好。不所以它照比其它換熱器大幅度減少了設備的清理維護工作量，方便了用戶的使用。最近證實首臺換熱器在渾河供熱所已經使用五個供暖期仍不結垢，這足以證明新產品有很強的防結垢能力，從而也

10、保障了換熱器的穩定運行（換熱效率不降低）。(2)防漏能力強因為每根換熱管的各個波紋都具有自身補償熱脹冷縮的功能, 因此不需要膨脹節之類的設置來減少管殼程的溫差應力，有較強的適應熱膨脹能力。(3)防震能力強第一 .由于換熱管波紋的加工, 使其自身帶有可塑性。第二 .選用具有較好的可塑性不銹鋼材料。第三 . 采用了波紋管與套管焊接后 , 再與管板相焊的結構。 這樣就使波紋換熱管與管板不直接接觸，減少了因厚度差引起的局部應力。第四 . 與波紋管焊接的套管處 , 采用了緩沖節加工結構， 如圖 2 局部放大圖所示， 也提高了其抗震性能。(4)動態性能好由于產生強化擾動的流速圍達 0.2m/s 以上 ,

11、故負荷變化而引起的管流速變化時 , 也不影響換熱性能。(5)減少設備維修量由于該產品不污、不堵、不腐蝕、不結垢、密封性能好，不必象其它換熱器那樣年年維修。一旦需維修，工作量也很小。(6) 較高的承壓能力由于換熱管做成一個個的波紋形結構, 照比光管增強了其承載壓力的能力, 使其更適合在較高的壓力下工作。由以上分析可知, 波紋管換熱器具有良好的使用性能。4 波紋管換熱器經濟社會效益分析4.1較高的經濟效益性能(1)可以節省材料成本換熱管管壁加工為波形, 如圖 4 所示為波紋管結構加工尺寸圖，設凸波球面半徑為R, 管外半徑為 r, 加工波紋凸波率為 R/r=1.2, 波紋間距 ( 相鄰兩波峰間的距

12、) 為 24mm, 由幾何公式可得到球面面積 S 球、球冠面積 S 冠、圓柱側面面積 S 柱如下：S 球 =4 R2=4（ 1.2r）2=5.76 r2S 冠 =2 RR-(R2-r2)1/2=2 (1.2r)1.2r-(1.2r)2-r21/2=1.3 r2S 柱 =4 r(R2 -r2)1/2=4 r(1.2r)2-r21/2=2.65 r2圖 4 波紋管結構尺寸由以上公式得到等長波紋外表面S 波與直管外表面S 直之比值如下: =S波 /S 直=(S 球 -2S 冠 )/S直=(5.76-2X1.3) r2/2.65 r2=1.2沿換熱管長度方向上波紋分布率為: =2(1.2r)2-r21

13、/2/24=2(1.2r)2-r21/2/24=0.055r如按 25X0.7 規格的波紋管計算, 得到沿管長布波率為68.75%,若按布波率50%保守計算 ,波紋管換熱面積與原直管換熱面積比為： =(1.2S波 +S 直 )/2S直 =1.1 (4-1)由式 (4-1) 的結果及 (2-1) 公式可以知道 , 同樣換熱量 Q，由于面積 A(=S 波+S 直 ) 的增大及 K 值的提高， 照比直管式不銹鋼換熱器 , 波紋管式換熱器可以較大幅度減少設備制造用料成本。 其中外殼用料 , 可以至少降低為普通換熱器用料的90%(=1/) ；換熱管用料 , 如果照比同材質不銹鋼材料可以降低大約一半以上材料, 如果照比碳鋼材料，雖然成本提高了一些，但照比其換熱能力的提高幅度， 總造價并不高。 所以波紋管換熱器具有較高的經濟效益性。(2) 減少附件制造費用由于具有良好的熱膨脹適應能力， 所以可以照比一般結構材料換熱器， 可以減少安裝熱膨脹節的購置安裝費用上千元。4.2良好的