強化傳熱技術

及新型熱交換器

當前1頁，總共127頁。換熱器是實現熱交換過程的設備。它廣泛應用于電力、化工、煉油、制冷、低溫、冶金、建材、環保、航天、航空、食品、輕工、醫藥等部門，是量大面廣的通用設備。以石油化工為例，各種換熱器重量占工藝設備總重的40%。在年產30萬噸的乙烯裝置中，各種換熱器達300-500臺。當前2頁，總共127頁。換熱器研究進展主要反映在：

（1）將殼程強化傳熱技術應用于管殼式換熱器（2）在換熱器中采用各種異形管和異形翅片管（3）利用誘導振動強化換熱器中的換熱過程（4）將蜂窩陶瓷用于蓄熱式換熱器中當前3頁，總共127頁。典型兩流程固定管板式管殼式換熱器管殼式換熱器當前4頁，總共127頁。三流程管殼式換熱器當前5頁，總共127頁。四流程管殼式換熱器當前6頁，總共127頁。浮頭式管殼式換熱器當前7頁，總共127頁。U形管管殼式換熱器當前8頁，總共127頁。管殼式換熱器當前9頁，總共127頁。典型折流板管殼式換熱器有不同的管子排列方式。正方形排列當前10頁，總共127頁。三角形排列三角形排列當前11頁，總共127頁。

強化殼程的換熱的途徑有兩種：1、改變管子的外形或在管外加翅片，即通過管子形狀和表面特性的改變來強化傳熱,如螺旋槽管、橫紋管、外翅片管等；2、改變殼程擋板或管間支撐物，以減小或消除殼程流動和傳熱的滯留死區，使傳熱面積得到充分利用。

在管殼式換熱器中與管內的換熱相比，殼程的換熱往往要弱得多，因此強化殼程的換熱就顯得很重要。

當前12頁，總共127頁。折流板與折流型式-1折流板也有不同的形式，由于折流板形式不同，殼側折流的情況也不一樣。當前13頁，總共127頁。折流板的作用：1）作為管子的支撐結構；2）使殼側流體提高流速并橫掠管束，從而強化傳熱。當前14頁，總共127頁。折流板的缺點：1）殼側流動阻力大；2）存在流動死區和折流板孔隙的漏流，使實際傳熱效果低于理論值；3）引起誘導振動，從而導致管子斷裂。當前15頁，總共127頁。漏流損失主流殼間的間隙漏流折流板孔隙漏流當前16頁，總共127頁。1）漩渦脫落；2）紊流抖振；3）流體彈性激振。流體橫掠管束引起誘導振動的原因：當前17頁，總共127頁。紊流能譜及其響應：當前18頁，總共127頁。流體橫掠速度與振動振幅：當前19頁，總共127頁。1）管子互相碰撞，當管子振動振幅大到足以使相鄰管子經常撞擊時，就會使管壁磨損變薄，直至破壞；2）管子與折流板孔壁因振動而不斷撞擊，從而引起管子破裂；3）振動使管子與管板連接處受到很大的應力，久而久之就造成脹接和焊接點因應力而損壞，并造成接頭泄漏；4）管子因振動反復彎折而引起應力疲勞，長時間連續振動就會導致管子破裂；5）振動引起應力脈動，會使管材中的微觀缺陷擴展，直至產生裂紋。誘導振動對換熱器的損傷主要表現在：當前20頁，總共127頁。減少誘導振動的措施有：1）降低橫掠管束的流速；2）提高傳熱元件的固有頻率，如增加管壁厚度、減少管子跨度等。顯然，這兩個措施是矛盾的。若要減少管子跨度，就需增加折流板的數目。而折流板的數目增加，又會使橫掠管束的流速增加。此時為減小流速，就只有增加殼體的直徑，而且流速降低會使換熱系數下降。最有效的防止誘導振動的方法是使流體由橫掠管束改為縱掠管束。但縱掠管束的換熱系數又不如橫掠管束。這也是一對矛盾。這也正是新型折流桿管殼式換熱產生的背景。誘導振動的減少與防止當前21頁，總共127頁。

改進板式支撐結構

雙弓形及多弓形折流板螺旋折流板整圓形隔板花隔板

當前22頁，總共127頁。折流板與折流型式-2當前23頁，總共127頁。折流板與折流型式-3當前24頁，總共127頁。

螺旋折流板是將傳統的垂直弓形板換成螺旋狀或近似于螺旋狀的折流板，折流板與換熱器殼體的橫斷面有一個傾斜角度，從而使流體在殼程沿螺旋通道流動當前25頁，總共127頁。將殼程流體由橫掠管束改為縱掠管束就能完全消除流動死區并防止管子產生誘導振動。但眾所周知流體橫掠管束的換熱高于縱掠管束。因此為了實現流體縱掠管束并使換熱得以強化，就出現了各種整圓形隔板。最初出現的整圓形大孔隔板就是在圓形隔板上鉆比管子大的圓孔，既讓管子通過，又有足夠的間隙讓流體通過。當前26頁，總共127頁。這種整圓形隔板制造方便、因流體縱掠管束流動阻力小、可適當提高殼側流速以增強殼側的換熱；管內外流體亦可布置成全逆流式，以增大傳熱溫差。此外由于管壁與孔板之間的環形間隙對流體可產生射流作用，既增強了傳熱，又使管壁不易結垢。但采用整圓形大孔隔板不但增大了換熱器的直徑，而且由于管子缺乏支撐，管束的抗振能力很差。當前27頁，總共127頁。為了改進整圓形大孔隔板的不足，出現了帶小孔的整圓形隔板，即在管孔之間開小孔，使傳熱流體由小孔通過，這樣就不用增大殼體的直徑。但帶小孔的整圓形隔板管子和管孔之間的間隙很容易結垢，引起腐蝕。為了克服這一缺陷，出現了矩形孔、梅花孔等異形孔的整圓形隔板。當隔板間距為50mm時，梅花孔板的傳熱系數是矩形孔板的1.5~1.6倍當前28頁，總共127頁。當前29頁，總共127頁?；ǜ舭迨俏覀冊谡麍A形隔板的基礎上提出的一種新型殼側支撐結構。所謂花隔板是在圓形隔板的四個象限的某一象限或兩個象限（最多三個象限）上開有管孔，作為管束支撐，而未開管孔的象限則是空的，或鉆有很大的孔，作為流體的通道。花隔板交替布置，相鄰兩塊隔板的空缺部分相差一個相同的角度，即后一塊隔板相對于前一塊隔板繞中心軸線順時針或逆時針旋轉一個角度，此角度可以是30°，60°或90°等，如此往復。這樣的結構就可以使流體在縱向流動的同時發生偏轉以達到強化換熱的目的。這種結構的最大優點是既能強化換熱，又簡化了換熱器的制造。當前30頁，總共127頁。當前31頁，總共127頁?；ǜ舭宓脑囼炑芯繐Q熱器殼體尺寸為Φ159mm×5mm，為標準生產件。換熱管尺寸Φ16mm×0.8mm，材料為鉻鎳鋼，有效換熱長度是1473mm，隔板采用拉桿固定，共4根拉桿，拉桿外徑為12mm?；ǜ舭骞?塊，板間距為170mm，花隔板芯體中換熱管采用正方形布置，管間距為20mm。殼側進口與第一塊隔板間距為175mm。兩塊花隔板旋轉的角度為90°。當前32頁，總共127頁。

花隔板換熱器與折流板換熱器綜合性能K/Δp比較圖當前33頁，總共127頁。

由圖可知，在殼側流體體積流量相同的情況下，花隔板換熱器的綜合性能K/Δp比折流板換熱器綜合性能K/Δp高10％～30％。當前34頁，總共127頁。采用其它支撐結構

桿式支撐結構空心環支撐結構管子自支撐結構

當前35頁，總共127頁。為了解決傳統折流板換熱器因流體橫掠管束所引起的誘導振動，出現了桿式支撐結構，即所謂的折流桿換熱器。其主要特點是：殼程不再設置折流板，而由折流桿組成的折流圈來代替折流板，它既對管子起支撐作用，又對流體起擾動作用，藉以達到強化傳熱的目的。

當前36頁，總共127頁。新型換熱設備——

折流桿管殼式換熱器換熱器種類繁多，結構各異，其中管殼式換熱器應用最廣，約占各類換熱器總量的70%。當前37頁，總共127頁。折流桿換熱器（Rodbaffleheatexchanger)的簡介

折流桿換熱器是1970年由美國菲利浦石油公司首創的。而我國在80年代初期開始研究折流桿換熱器，最先是應用在石油化工行業上，近幾年我國自主開發折流桿換熱器的工作取得迅速發展，折流桿換熱器在逐漸被人們認識的同時，也將逐步取代折流板換熱器。當前38頁，總共127頁。折流桿換熱器（Rodbaffleheatexchanger）的特點1）以折流桿所組成的折流柵來代替傳統的折流板。折流桿對管子起支撐作用，又對流體起擾動強化傳熱作用。當前39頁，總共127頁。2）將流體橫掠管殼改作縱掠管束，從而從擾動的源頭上有效的防治誘導振動的產生。折流板換熱器芯折流桿換熱器芯當前40頁，總共127頁。折流桿管殼式換熱器的結構-1：當前41頁，總共127頁。折流桿管殼式換熱器的結構-2：當前42頁，總共127頁。折流桿管殼式換熱器的結構-3：當前43頁，總共127頁。折流桿管殼式換熱器的結構-4：當前44頁，總共127頁。折流桿管殼式換熱器的結構-5：當前45頁，總共127頁。折流桿管殼式換熱器的結構-6：當前46頁，總共127頁。折流桿管殼式換熱器的結構-7：當前47頁，總共127頁。折流桿管殼式換熱器的優點1）由于殼側流體是縱掠管束，防止了誘導振動的產生，提高了換熱器的安全性。2）大大減少了殼側流體的流動阻力，降低了管側的泵功，節約能源。3）由于折流桿增強了流體的擾動，減少了橫掠管束時的流動死區和漏流損失。從而強化了殼側的換熱，即殼側的換熱系數不但不低于橫掠時換熱系數，而且視殼側介質、流速以及有無相變等情況，傳熱系數反而可提高5%-30%。4）減少了污垢的沉積和腐蝕的產生，提高了換熱器的使用壽命。當前48頁，總共127頁。對折流桿管殼式換熱器，課題組進行了系統的研究，為折流桿換熱器的設計和殼換熱器的改造積累了豐富的資料。研究包括：1）不同的傳熱介質（水-水、水-蒸汽凝結、水-油、水-空氣等）；2）不同的折流柵的間距（等間距、不等間距）；3）不同的折流形狀（圓形桿、方形桿等）；4）不同的管子布置方式（正方向、三角形等）；5）折流桿和管子間的不同組合方式（四桿夾一管、四桿夾二管等）。當前49頁，總共127頁。折流桿管殼式換熱器已在國內逐步推廣。其中在石油、化工行業已取得明顯的成效。如呼和浩特煉油廠常減壓裝置上一次就使用8臺折流桿換熱器。其每臺傳熱面積比原折流板換熱器減少30%，折流桿冷凝器也應用于20個煉油廠。但是，在電力行業方面一直未得到充分應用。課題組與茂名市茂港電力設備廠合作，已將其成功應用在電廠的海水閉式冷卻器和低壓加熱器上。當前50頁，總共127頁。應用舉例1-折流桿海水閉式冷卻器華能汕頭電廠2號機閉式冷卻器是俄供產品，單臺機組設置兩臺100%容量的銅管折流板式換熱器，按俄羅斯設計要求，正常運行時一臺冷卻器工作，另一臺冷卻器備用，實際兩臺冷卻器均投入運行。俄產銅管折流板式冷卻器在運行中經常出現斷管泄漏，斷管數每年超過200根/臺。華能汕頭電廠本次閉冷器改造，是將2號機兩臺俄產銅管折流板式冷卻器中的其中一臺，更換為茂名市港電力設備廠生產的單臺100%容量鈦管折流桿式冷卻器，要求改造后的閉冷器正常運行時，單臺新閉冷器工作，另一臺舊閉冷器備用。

當前51頁，總共127頁。鈦管折流桿式大型水—水冷卻器，在我國電力系統應用，尚屬首例。通過詳細分析、精心設計、周密計算，確定了華能汕頭電廠閉冷器改造方案，根據這一方案制造出了我國第一臺鈦管折流桿式大型水—水冷卻器。該臺鈦管折流桿式水—水冷卻器2001年12月9日運抵華能汕頭電廠安裝，2001年12月30日投入運行，經過10個月的運行后，由廣東省電力試驗所對該臺設備進行了測試。當前52頁，總共127頁。性能測試報告當前53頁，總共127頁。設計參數a.閉冷水工作壓力（MPa）p2’=0.45工作壓力（MPa）ps=0.6出口溫度（?C）t1”<35水量（m3/h）V1=2600b.循環冷卻水（海水）工作壓力（MPa）pt’=0.1工作壓力（MPa）pt=0.6出口溫度（?C）t1”<32水量（m3/h）V2=3700當前54頁，總共127頁。項目狀態參數改造前改造后型號or760BLQ-1000型式銅管折流板式鈦管折流桿式臺數2臺/機1臺/機運行臺數2臺/機1臺/機外形尺寸9540×1200mm9515×1495mm冷卻面積760M2/臺954M2/臺閉冷水流量1300M2/h?臺2600M2/h?臺海水流量3700M2/h?臺3700M2/h?臺改造前后閉冷器參數

當前55頁，總共127頁。試驗結果評價試驗換熱系數在2900~3230W/(m2℃)范圍之間，大于設計的換熱系數，分析認為主要有以下幾方面的因素：a.循環水流量超過設計值3700m3/h約750m3/h，增大了管側的換熱系數；b.閉冷水流量超過設計值2600m3/h約140m3/h，增大了殼側的換熱系數；c.由于換熱器管材為鈦管，同時水流速度較大，管壁兩側不易結垢，運行10個月后，污垢熱阻仍較小。當前56頁，總共127頁。試驗結果評價-經濟性分析a.新型折流桿式換熱器一臺的換熱性能達到了改造前兩臺折流板式換熱器的效果，減少了循環水量，節約了能源。根據試驗，改造前兩臺折流板式換熱器需要7400m3/h的循環水量，改造后為4450m3/h，節約了2950m3/h的循環水量，相當于循環水泵節約用電325KW，全年可節省廠用電250萬度，節約費用50萬元。當前57頁，總共127頁。試驗結果評價-經濟性分析b.同時又解決了閉冷器換熱管經常斷裂的問題，避免了經常檢修換管，提高了設備的投入率和機組運行的安全性，降低了勞動強度和勞動時間，節約了資源。根據改造前的檢修經驗和記錄，平均每兩年對換熱管全部更換，費用高達一百多萬。根據分析，新型折流桿式換熱器既節約了能源，又降低了設備的檢修費用，新型折流桿式換熱器的改造費用成本一般可以在18個月的運行時間收回。當前58頁，總共127頁。結論利用新型折流桿換熱器改造舊的折流板換熱器，解決了閉冷器管子斷裂問題，并用一臺取代兩臺運行，減化了系統，節約了能源和資源，費用成本回收時間短，具有重要的推廣價值。a.閉冷器出口端差均值為1.9℃，小于設計要求值2.5℃，滿足改造廠家要求。b.新型折流桿閉冷器較傳統的折流板式換熱器換熱性能明顯增強，管道系統簡單明了。c.折流桿消除了殼程流體流動死區，增加了有效換熱面積，強化了傳熱，提高了傳熱效率，試驗證明，華能汕頭發電廠2號機組閉冷器換熱系數達到2900~3230W/m2.℃范圍，同時減少了污垢沉積和腐蝕。當前59頁，總共127頁。鑒定報告當前60頁，總共127頁。應用舉例2-折流桿低壓加熱器韶關發電廠#8汽輪機組表面式加熱器性能試驗報告廣東省電力試驗研究所廣東省韶關發電廠當前61頁，總共127頁。概述長期以來，韶關發電廠#8機#4低加其折流板由于流體橫向沖刷管束引起U形彎頭及換熱器與管板連接破裂，加之蒸汽的影響，也引起管身的破裂。另外#8機軸封加熱器和軸封冷卻器換熱面積不夠。因此在1998年決定對之實施改造。1998年，電力工業部茂港電力設備廠對該機組#4低壓加熱器實施了改造。將折流板改為折流桿換熱器，將原錫黃銅換熱管改為鍋爐用無縫鋼管。同時根據改造協議設計、制造和更換了軸封加熱器和軸封冷卻器。為了準確評估加熱器改造后的性能指標，廣東省電力試驗研究所進行改造后的加熱器性能驗收試驗。

當前62頁，總共127頁。試驗結果表明：改造后的加熱器達到了改造技術協議的要求。#4低壓加熱器在機組帶滿負荷時溫升不低于21oC；軸封加熱器和軸封冷卻器的端差不超過5oC，其他指標亦達到了有關技術要求。試驗目的本次試驗測定以下內容：1）加熱器端差；2）溫升；3）水阻；4）汽阻。當前63頁，總共127頁。結論

1）#4低壓加熱器在機組帶滿負荷時溫升不低于21℃；2）軸封加熱器和軸封冷卻器的端差不超過5℃；3）其他指標亦達到了有關技術要求。

當前64頁，總共127頁?？偨Y折流桿管殼式換熱器是一種新型、高效的換熱器。既可以在殼體不變的情況下對現有折流板管殼式換熱器進行改造，也可以重新設計新的折流桿換熱器。它具有殼側流動阻力小、傳熱系數高、無振動、不斷管、安全性好等許多優點，是一種值得大力推廣的熱交換器。當前65頁，總共127頁。折流桿換熱器的使用業績1、低壓加熱器50MW機組茂名熱電廠、梅縣電廠、三水恒益電廠、長海電廠、安徽淮北電廠、廣西合山電廠等。100MW機組云南小龍潭電廠、昆明電廠、茂名熱電廠、湖北青山熱電廠、廣西合山電廠等。125MW機組遵義電廠、梅縣電廠、湖南金竹山電廠、安徽淮北電廠等。200MW機組韶關電廠、沙角電廠、湖南耒陽電廠、安徽淮北電廠、江蘇徐州電廠、揚州電廠等。當前66頁，總共127頁。2、閉式循環水換熱器300MW機組華能汕頭電廠2臺350MW機組惠州LNG電廠4臺深圳前灣電廠4臺600MW超臨界機組華能汕頭電廠2臺汕尾電廠4臺惠來電廠4臺當前67頁，總共127頁?？招沫h支撐結構是采用空心環作管間支撐物，空心環由直徑較小的鋼或鋁管截成短節而成，均勻地分布于管間的同一截面上，與管子成線性接觸，流體縱掠管束時，因空心環對管間流體的反復擾動，使殼側的換熱得以增強。在相同的殼程壓降下，采用空心環支撐結構的管殼式換熱器的殼側換熱系數可比傳統單弓折流板換熱器高100%。

當前68頁，總共127頁。當前69頁，總共127頁。為了簡化管束支撐，提高換熱器的緊湊度，進幾年出現了利用管子自身作支撐結構的管殼式換熱器。例如螺旋扁管、螺旋橢圓扁管、交叉縮放橢圓管都可利用自身作為管束支撐。這類換熱器均利用相鄰管突出處的點接觸支撐管子，且管內外流體換熱均能得到強化。當前70頁，總共127頁。

在換熱器中采用各種異形管和異形翅片管當前71頁，總共127頁。我們開發的各種類型翅片管當前72頁，總共127頁。各種金屬軋制管當前73頁，總共127頁。繞帶管當前74頁，總共127頁。繞帶管的應用當前75頁，總共127頁。繞簧管當前76頁，總共127頁。當前77頁，總共127頁。內插入物管當前78頁，總共127頁。橢圓熱管空氣預熱器當前79頁，總共127頁。橢圓翅片管空冷器當前80頁，總共127頁。世界上第一座直接空冷電站的空冷器當前81頁，總共127頁?；S的空冷器

當前82頁，總共127頁。煉油廠的空冷器

當前83頁，總共127頁。根據我們的研究，橢圓矩形翅片管有如下優點：與圓管相比，流動阻力小傳熱系數大。這是由于橢圓管呈流線型，在橫掠氣流中，流體分離點后移，從而減少了管后的漩渦區，另外橢圓管前半部的邊界層比圓管薄。這些因素有利于增強傳熱和減少流阻，通常流速下可以比圓管圓形翅片流阻減低50%以上；橢圓管的傳熱面積比同樣截面的圓管大15%，因此在相同流速下，管外換熱面積可提高15%；在相同的條件下，橢圓管的傳熱周長比圓管大，因此管內熱阻小，有利于管內介質的傳熱；對于同樣材料的翅片，矩形翅片比圓形翅片效率高8%；矩形翅片上開有擾流孔，它可以使橫掠氣流擾動，從而減薄管壁及翅片上的邊界層，能強化管外側的換熱；當前84頁，總共127頁。1橢圓矩形翅片管可以布置得緊湊，它占風道的面積僅為圓管的80%；橢圓矩形翅片管順著流動方向剛性好，垂直于流動方向又有一定的柔性，在橫掠氣流中誘導振動的振幅小，抗熱應力的能力強；由于橢圓套矩形翅片后，整體熱浸鋅，翅片呈L型，與橢圓管接觸面積大，加上浸鋅后，鋅填充在翅片和橢圓管之間，既增加了橢圓管的承壓性，又消除了接觸熱阻，使翅片管的傳熱性能大大改善；由于整體熱浸鋅，橢圓翅片管抗腐蝕的能力強，能夠在較惡劣的工況下長期工作；由于采用鋼管和矩形鋼翅片，管組強度高，冷卻器能用高壓水沖洗。

當前85頁，總共127頁。大型直接空冷電站的空冷器

當前86頁，總共127頁。電站的空冷器的細部

當前87頁，總共127頁。利用誘導振動強化換熱器中的換熱過程當前88頁，總共127頁。有源強化技術主要有：機械攪動表面振動流體振動電磁場噴射或抽吸形狀記憶合金彈簧當前89頁，總共127頁。彈性盤管換熱器的原理換熱器內流體誘發振動和傳熱表面積垢是強化傳熱技術中一直未能夠解決的世界性難題。彈性盤管以自由振動防止振動破壞并利用振動強化傳熱。利用水流產生擾動提高對流換熱系數的同時，利用振動變形減少積垢。當前90頁，總共127頁。彈性盤管的示意圖當前91頁，總共127頁。彈性盤管換熱器的結構示意圖當前92頁，總共127頁。當前93頁，總共127頁。試驗1試驗2蒸汽壓力（Mpa）冷水流量（m3/h）傳熱系數（w/m2℃）蒸汽壓力（Mpa）冷水流量（m3/h）傳熱系數（w/m2℃）0.2931.14150.30.3230.74706.50.2722.04526.30.2620.34386.30.2818.04693.70.2814.14374.90.2215.24529.50.299.24966.30.2012.14284.40.248.54282.0測試結果當前94頁，總共127頁。受熱面振動與強化傳熱傳熱強化傳熱面振動能夠直接破壞邊界層而獲得傳熱的增強，振動雷諾數足夠高，可達10倍。振動產生方法人工產生傳熱面振動，通常使用電力振動器或機械傳動偏心裝置來實現

存在的問題可能導致管子斷裂；耗費的能量比增強傳熱所獲得的收益要高

當前95頁，總共127頁。流體脈動與強化傳熱（1）脈動流的產生：利用流體脈動裝置（脈動閥門、空氣脈動器、往復泵、揚聲器、超聲波發生器、振蕩器,）使流體在管內產生脈動。強化傳熱的效果：大多數結果對換熱有不同程度的增強；少數則相反。與脈動頻率，脈動幅度，脈動閥門位于換熱器的上游或下游等有關。當前96頁，總共127頁。流體脈動與強化傳熱（2）對于高粘度流體和非牛頓流體的層流運動基本沒有強化傳熱的效果?？墒箽饬髟诶字Z數為1500時就變為湍流運動，而對于原來即為湍流的氣流，脈動基本不增強傳熱。聲波頻率下的脈動實驗證明換熱器中水在聲波頻率下的脈動，不僅可以增強傳熱，而且還能預防水溶液中鹽分在管壁上的沉淀。

當前97頁，總共127頁。流體脈動與強化傳熱（3）流體的來流湍流度：流體的來流湍流度對橫向流過管束的傳熱強度影響不亞于表面振動。主要的問題：要專門的設備，能量的消耗。研究的方法：實驗研究理論研究：脈動頻率不大時作準穩態處理；振蕩流體力學；適于簡單情況的簡單模型；數值計算方法。當前98頁，總共127頁。小擾動強化傳熱的機理（1）穩定性與振動的本質從受力來看：流體或受熱面受到的各種力失去平衡，導致失穩，進入另一種穩態；或再受到恢復力的作用而回復，引起振蕩，只要輸入的能量能等于阻尼引起的能量消耗，振蕩就能持續下去。從系統來看：如果系統是一個不穩定環節；或輸出對輸入有正反饋，則輸入的小擾動就能被放大，引起不穩定或振動。流體用偏微分方程、受熱面可以用常微分方程描述當前99頁，總共127頁。小擾動強化傳熱的機理（2）流體的穩定性與脈動層流的失穩；湍流強度的增加流體的宏觀脈動：整體周期振蕩，流場有序的大渦流體在聲學頻率下的振動（聲振，水擊）聲共鳴：氣體流過換熱器管束時，可能產生一個既垂直于管子又垂直于流動方向的駐波，并在換熱器內壁之間穿過管束來回反射；同時流體橫掠管束時在管子后面形成漩渦分離，駐波在來回反射的過程中漩渦分離的能量不斷輸入，當頻率耦合時引起共振。共振的聲學波能使沿園柱體跨度方向漩渦關聯起來。聲學頻率與管間節距，隔板間距等有關。當前100頁，總共127頁。小擾動強化傳熱的機理（3）流體誘發受熱面振動的機理湍流撞振：湍流的隨機壓力與速度的波動引起?？筛淖儊砹鞯耐牧鞫?，管束排列方式等來改變。漩渦脫落管兩側漩渦交替脫落造成阻力與升力的交替變化。繞振當管陣中某根管子發生位移后，流場的均勻性被破壞，相鄰管的力的平衡被破壞。噴流交替振動由管排后面噴流的耦合與失耦而產生。與上游尾流相互作用形成當前101頁，總共127頁。小擾動強化傳熱的機理（4）小擾動強化傳熱的機理層流時：由小擾動誘發流動失穩，形成湍流。湍流時：由小擾動誘發流體的脈動。由小擾動誘發流體的脈動，并使其固有頻率與受熱面固有頻率耦合，引起受熱面振動。由小擾動誘發流體的脈動，并使其固有頻率與受熱面固有頻率耦合，并與漩渦脫落頻率耦合，與換熱器內聲學波共振，形成有序有大渦，直接沖刷受熱面。當前102頁，總共127頁。小擾動如何誘發流體振動擾動誘發流體的脈動，通過與受熱面固有頻率的耦合，與漩渦脫落頻率的耦合，與聲場固有頻率的共振，使擾動能放大并維持一定數值，達到強化傳熱、防止結垢、防止破壞的目的。流體脈動誘發盤旋管、盤旋懸伸管、盤形管、波紋管振動。殼程切向進水、切向對沖進水誘發流體的脈動。當前103頁，總共127頁。

已獲得的初步試驗成果

試驗換熱器中的部分傳熱管被薄壁波紋管代替,該薄壁波紋管內不走流體(所謂假管),其作用是在流體的作用下誘發振動,從而使相鄰管的傳熱得以強化。試驗證明，當換熱面積中假管面積占1/6時其換熱量與無假管時一樣，這樣就可用不銹鋼管代替部分價格昂貴的鈦管，從而大大節約換熱器的制造成本。當前104頁，總共127頁。與傳統振動及脈動方法的不同之處通過小擾動誘發流動的不穩定，破壞邊界層或層流底層，以很小的能耗達到強化傳熱的目的受熱面可以不振動，關鍵是小擾動裝置與換熱器內流體的相互作用，形成持續的脈動、振蕩、大渦。小擾動強化傳熱的難點使流體、換熱面對小擾動作出響應，使部分原來被無序的湍流耗散的能量輸入到有序的脈動，使小擾動能放大，并維持一定強度與方向。當前105頁，總共127頁。陶瓷蓄熱式換熱器的應用前景能源緊缺是目前世界上普遍存在的嚴重問題，“高能耗，高排放，低效率”一直是制約我國經濟快速發展的一個瓶頸，針對目前我國工業爐普遍具有的排煙溫度高這一問題，采用在煙道中裝陶瓷蓄熱式換熱器對煙氣的余熱進行回收利用以達到節能目的。當前106頁，總共127頁。我國工業爐能源利用現狀“兩高一低”—高排放,高能耗,低效率爐子排煙溫度高,對我國冶金工業重點企業和地方企業的202座加熱爐排煙溫度調查表明小于700℃占41%700-900℃占51%大于900℃占8%實踐證明,排煙溫度每降低100℃,爐子的熱效率可以提高5%-7%.

當前107頁，總共127頁。余熱回收裝置流程圖余熱回收裝置冷空氣常溫預熱空氣900℃煙氣1000℃低溫煙氣200℃當前108頁，總共127頁。當前109頁，總共127頁。陶瓷蓄熱式換熱器的優點

空氣和煙氣在蓄熱體內的流動方向相反,可以很大程度避免堵灰.即使蓄熱體因長期使用有破損,也不會發生空氣和煙氣發生滲混.蓄熱體比表面積大,減小了換熱器的外型尺寸.陶瓷成本低廉,耐高溫和腐蝕,能大批量生產,制造精度要求低.

當前110頁，總共127頁。三種陶瓷蓄熱體通過率球體9%六邊蜂窩62%方孔蜂窩58%比表面積球體240m2/m3六邊蜂窩504m2/m3方孔蜂窩961m2/m3

當前111頁，總共127頁。實驗裝置圖熱風風機電加熱管及保溫層電流互感器—蓄熱室—冷風風機空氣壓縮機脈沖發生器—變頻器IJABCDEFGH溫度調節箱當前112頁，總共127頁。當前113頁，總共127頁。實驗結果1三種蓄熱體阻力性能測量當前114頁，總共127頁。當前115頁，總共127頁。阻力損失實驗測量結果流量Nm3/h202530353942454851方孔蜂窩Pa253035456065707579計算值Pa23.732.041.351.660.567.675.182.991.4六邊蜂窩Pa2812182224323640計算值Pa11.116.322.329.335.640.746.151.958.6球體Pa3145638298114125141153計算值Pa42.755.468.983.395.3104.7114.4124.4134.7當前116頁，總共127頁。阻力損失實驗測量結果流量Nm3/h45608090100110120125方孔蜂窩Pa176221303359398480537583計算值Pa147213315372433497566602六邊蜂窩Pa137166221260289332381412計算值Pa67107175216260308360388當前117頁，總共127頁。各測點溫度值(工作周期52s)蓄熱體熱空氣冷空氣熱空氣熱空氣冷空氣冷空氣流量流量入口溫度出口溫度入口溫度出口溫度方孔蜂窩252618624171302486824162352626923158六邊蜂窩352525610127144302579126142352609326134球體252629324141302558625137352607825136

當前118頁，總共127頁。各測點的溫度值(工作周期70s)蓄熱體空氣流量熱空氣入口溫度熱空氣出口溫度冷空氣進口溫度冷空氣出口溫度3528279.734195.3六4730281.832194.8邊60299109.533189.0蜂77320110.631181.7窩80311114.631189.3100313113.831183.03527280.331232.0方4730589.130246.3孔60302101.034243.3蜂77301102.635225.6窩80310105.335236.7100306113.738223.4當前119頁，總共127頁。換熱系數實驗結果蓄熱體冷空氣熱空氣表面換熱系數理論值體積換熱系數流量流量W/(m2*℃)W/(m2*℃)W/(m3*℃)

六邊蜂窩2515.712.779133019.513.398283519.814.19979方孔蜂窩2512.814.5123013017.315.216625353517.415.816769球體2532.634.878243040.036.7196003547.838.1711472

當前120頁，總共127頁。蓄熱體空氣流量表面換熱系數理論值體積換熱系數