工業(yè)過程系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

——強(qiáng)化傳熱與換熱器2023/11/235:38強(qiáng)化傳熱與換熱器技術(shù)2異型強(qiáng)化傳熱管34新型殼程支撐結(jié)構(gòu)研究ing的強(qiáng)化傳熱技術(shù)1強(qiáng)化傳熱基礎(chǔ)知識5應(yīng)用案例2023/11/235:381.1強(qiáng)化傳熱基礎(chǔ)知識換熱器是一種量大面廣的通用設(shè)備、換熱器是一種重要節(jié)能設(shè)備。換熱器廣泛應(yīng)用于電力、化工、煉油、制冷、低溫、冶金、建材、環(huán)保、航天、航空、食品、輕工、醫(yī)藥等部門，幾乎所有的行業(yè)均與換熱器相關(guān)。

在石油化工、空調(diào)制冷行業(yè)，換熱器重量占工藝設(shè)備總重的40%以上，占設(shè)備總投資的30%以上。2023/11/235:38從節(jié)能角度出發(fā)強(qiáng)化傳熱的目的是：提高能源利用效率，減少能源使用過程中有效能的損耗；減小換熱器的體積，減輕重量和金屬消耗。強(qiáng)化傳熱指的是用較小的設(shè)備傳遞較多的熱量,也就是說要使熱交換器單位傳熱面積的傳熱速率Q越大越好。1.1強(qiáng)化傳熱基礎(chǔ)知識2023/11/235:38

換熱器的強(qiáng)化傳熱就是力求使換熱器在單位時(shí)間內(nèi)，單位傳熱面積傳遞的熱量達(dá)到最多。傳熱方程式為：式中K—傳熱系數(shù)；

A—換熱面積；

△T—平均傳熱溫差。強(qiáng)化傳熱主要有3種途徑：提高傳熱系數(shù)、擴(kuò)大傳熱面積和增大傳熱溫差。1.1強(qiáng)化傳熱基礎(chǔ)知識2023/11/235:381）增加平均溫差ΔT在換熱器中冷熱液體的流動方式有四種，即順流、逆流、交叉流、混合流。在進(jìn)出口溫度相同時(shí)，逆流的平均溫差ΔT最大，順流時(shí)ΔT最小，應(yīng)盡可能采用逆流或接近于逆流的布置。溫差增大，勢必造成換熱過程的有效能損失（或者熵增）增大，從節(jié)能與能量的梯級利用角度出發(fā)，這是不允許的，是違背節(jié)能初衷的。盡量使得流體呈逆流流動，而盡最大可能采用低溫差傳熱，是未來換熱器必須發(fā)展的方向。用增加平均溫差ΔT的辦法來增加傳熱只能適用于個別情況。

1.1強(qiáng)化傳熱基礎(chǔ)知識2023/11/235:382）.擴(kuò)大換熱面積A擴(kuò)大換熱面積是常用的一種增強(qiáng)換熱量的有效方法，如采用小管徑、各種翅片等。一些新型的緊湊式換熱器，如板式和板翅式換熱器，同管殼式換熱器相比，在單位體積內(nèi)可布置的換熱面積多得多。當(dāng)然緊湊式的板式結(jié)構(gòu)對高溫、高壓工況就不宜應(yīng)用。對于高溫、高壓工況一般都采用簡單的擴(kuò)展表面，如普通肋片管、銷釘管、鰭片管，效果仍然是顯著的。采用擴(kuò)展表面后，如果幾何參數(shù)選擇合適還可同時(shí)提高換熱器的傳熱系數(shù)，這樣增強(qiáng)傳熱的效果就更好了。值得注意的是，采用擴(kuò)展面常會使流動阻力增加，金屬消耗增加，因此在應(yīng)用時(shí)應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。1.1強(qiáng)化傳熱基礎(chǔ)知識2023/11/235:383）.提高傳熱系數(shù)k提高傳熱系數(shù)k是強(qiáng)化傳熱的最重要的的途徑，傳熱系數(shù)k可用下式計(jì)算： 一般講δ/λ可以忽略。因此傳熱系數(shù)k可以近似寫成：k=α1α2/（α1+α2）。由此可知欲增加k，就必須增加α1和α2，但當(dāng)α1和α2相差較大時(shí)，增加它們之中較小的一個最有效。1.1強(qiáng)化傳熱基礎(chǔ)知識2023/11/235:38綜合表明，強(qiáng)化傳熱的主要技術(shù)手段有：傳熱表面的粗造化和流體流通截面的異形化——異型強(qiáng)化傳熱管；管束支撐與流場的協(xié)同化——新型殼體支撐結(jié)構(gòu)；外場（機(jī)械振動、電、磁、電磁等）與內(nèi)場（速度、溫度）的協(xié)同——研究ing的技術(shù)。1.1強(qiáng)化傳熱基礎(chǔ)知識2023/11/235:381.2異形強(qiáng)化傳熱管2023/11/235:381.2異形強(qiáng)化傳熱管2023/11/235:381.2異形強(qiáng)化傳熱管2023/11/235:381.2異形強(qiáng)化傳熱管2023/11/235:381.2異形強(qiáng)化傳熱管2023/11/235:381.2異形強(qiáng)化傳熱管1.2異形強(qiáng)化傳熱管2023/11/235:381.2異形強(qiáng)化傳熱管2023/11/235:381.2異形強(qiáng)化傳熱管2023/11/235:381.2異形強(qiáng)化傳熱管2023/11/235:381.2異形強(qiáng)化傳熱管2023/11/235:381.2異形強(qiáng)化傳熱管六、多股流扁管這種管型既具有普通傳熱管的優(yōu)點(diǎn)（耐溫耐壓能力強(qiáng)），又具有板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)（結(jié)構(gòu)緊湊、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高），特別適合氣——?dú)鉄峤粨Q，具有壓降低、傳熱系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，扁管的寬度從30-300mm之間可以任意選擇，能夠最大限度滿足個性化用戶的需求。傳熱系數(shù)提高30以上；抗結(jié)垢能力強(qiáng)；特別適合氣體和易結(jié)垢液體的余熱回收，如煙氣、印染廢水等。2023/11/235:381.3新型殼程支撐結(jié)構(gòu)（一）、螺旋折流板換熱器

螺旋折流板換熱器是最新發(fā)展起來的一種管殼式換熱器，最初由美國ABB公司提出的。與常規(guī)折流板相互平行布置方式不同，它的折流板相互形成一種特殊的螺旋形結(jié)構(gòu)，每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度，使殼程流體做螺旋運(yùn)動，能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角，從而提高了換熱效率。在氣—水換熱的情況下，傳遞相同熱量時(shí)，該換熱器可減少30％~40％的傳熱面積，節(jié)省材料20％~30％。此換熱器尤適宜于處理含固體顆粒、粉塵和泥沙等流體。2023/11/235:381.3新型殼程支撐結(jié)構(gòu)

經(jīng)過改良的螺旋折流板具有如下優(yōu)點(diǎn)：壓降更低、傳熱系數(shù)更高；基本無流動死區(qū)；適合氣體冷卻、高粘度流體的傳熱。2023/11/235:381.3新型殼程支撐結(jié)構(gòu)螺旋折流板+縮放管，可以有效強(qiáng)化管內(nèi)外傳熱系數(shù)，用于氣-氣傳熱，可以提高總系數(shù)50%以上，殼程壓降減少30%左右，特別適合應(yīng)用氣體余熱回收這是通過改良以后的螺旋折流板，該圖為某冶金企業(yè)設(shè)計(jì)制造的氣-氣換熱器，換熱器體積比原來減少30%以上。2023/11/235:38扭曲管結(jié)構(gòu)圖（二）扭曲管換熱器-無管束支撐1.3新型殼程支撐結(jié)構(gòu)2023/11/235:38

管程、殼程同時(shí)強(qiáng)化傳熱，抗振性能好。更適合流速底、粘度大的流體。1.3新型殼程支撐結(jié)構(gòu)2023/11/235:381.3新型殼程支撐結(jié)構(gòu)扭曲管束換熱器由于不需要?dú)こ讨谓Y(jié)構(gòu)，使得殼程的壓降大大減小，如果進(jìn)行優(yōu)化匹配，可以使得管內(nèi)外傳熱系數(shù)比較接近，總體來說換熱器的總傳熱系數(shù)可以提高30-50%，殼程壓降減小50%，管程壓降有所加大。該類型的換熱器已經(jīng)成功用于化工、石油和與其相關(guān)的領(lǐng)域，特別使用于高粘度流體和非牛頓型流體。圖為某維尼綸廠設(shè)計(jì)制造的換熱器設(shè)備。2023/11/235:38（三）、折流桿換熱器

折流桿換熱器是1970年由美國菲利浦石油公司首創(chuàng)的。而我國在80年代初期開始研究折流桿換熱器，最先是應(yīng)用在石油化工行業(yè)上，近幾年我國自主開發(fā)折流桿換熱器的工作取得迅速發(fā)展，折流桿換熱器在逐漸被人們認(rèn)識的同時(shí)，也將逐步取代折流板換熱器。1.3新型殼程支撐結(jié)構(gòu)2023/11/235:38折流桿換熱器主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：以折流桿所組成的折流柵來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的折流板。折流桿對管子起支撐作用，又對流體起擾動強(qiáng)化傳熱作用。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(dǎo)振動的產(chǎn)生1.3新型殼程支撐結(jié)構(gòu)2023/11/235:38折流桿的結(jié)構(gòu)：1.3新型殼程支撐結(jié)構(gòu)2023/11/235:38折流桿管殼式換熱器的優(yōu)點(diǎn)1）防止了誘導(dǎo)振動的產(chǎn)生，提高了換熱器的安全性。2）大大減少了殼側(cè)流體的流動阻力，降低了管側(cè)的泵功，節(jié)約能源。3）減少了橫掠管束時(shí)的流動死區(qū)和漏流損失，且強(qiáng)化了殼側(cè)的換熱，傳熱系數(shù)反而可提高10%-30%。4）減少了污垢的沉積和腐蝕的產(chǎn)生，提高了換熱器的使用壽命。1.3新型殼程支撐結(jié)構(gòu)2023/11/235:381.3新型殼程支撐結(jié)構(gòu)（四）空心環(huán)式換熱器

空心環(huán)管殼式換熱器是我國于20世紀(jì)90年代發(fā)明的一種新型管殼式換熱器。空心環(huán)是由直徑較小的鋼管截成短節(jié)，均勻地分布于換熱管管間的同一截面上，呈線性接觸，在緊固裝置螺栓力的作用下，使管束相對緊密固定。空心環(huán)作為支撐形式，已成功地應(yīng)用于小型氮肥廠。據(jù)報(bào)道，在相同條件下，其傳熱面積雖比單弓形支承可減少35％，傳熱速率則可增加38％，泵功率可減少75％。2023/11/235:38（四）空心環(huán)式換熱器1.3新型殼程支撐結(jié)構(gòu)空心環(huán)與縮放管進(jìn)行有效匹配，可以使得管內(nèi)外傳熱系數(shù)均有20-30%左右的提高。目前該類換熱器在硫酸工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)處于絕對控制地位，特別適合于氣-氣傳熱。2023/11/235:38機(jī)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1.4

研究ing的強(qiáng)化傳熱技術(shù)2023/11/235:38受熱面振動與強(qiáng)化傳熱傳熱強(qiáng)化傳熱面振動能夠直接破壞邊界層而獲得傳熱的增強(qiáng)，振動雷諾數(shù)足夠高，強(qiáng)化效果可達(dá)10倍。振動產(chǎn)生方法人工產(chǎn)生傳熱面振動，通常使用電力振動器或機(jī)械傳動偏心裝置來實(shí)現(xiàn)

存在的問題可能導(dǎo)致管子斷裂；耗費(fèi)的能量比增強(qiáng)傳熱所獲得的收益要高

1.4

研究ing的強(qiáng)化傳熱技術(shù)2023/11/235:38流體脈動與強(qiáng)化傳熱脈動流的產(chǎn)生：流體脈動裝置（脈動閥、空氣脈動器、往復(fù)泵、揚(yáng)聲器、超聲波、振蕩器等）使流體產(chǎn)生脈動。強(qiáng)化傳熱的效果：大多數(shù)結(jié)果對換熱有不同程度的增強(qiáng)，少數(shù)則相反。對于高粘度流體和非牛頓流體的層流運(yùn)動基本沒有強(qiáng)化傳熱的效果。對于原來即為湍流的氣流，脈動基本不增強(qiáng)傳熱。主要的問題：要專門的設(shè)備，能量的消耗。1.4

研究ing的強(qiáng)化傳熱技術(shù)2023/11/235:38小擾動強(qiáng)化傳熱的機(jī)理（4）小擾動強(qiáng)化傳熱的機(jī)理層流時(shí)：由小擾動誘發(fā)流動失穩(wěn)，形成湍流。湍流時(shí)：由小擾動誘發(fā)流體的脈動。由小擾動誘發(fā)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(fā)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(nèi)聲學(xué)波共振，形成有序有大渦，直接沖刷受熱面。1.4

研究ing的強(qiáng)化傳熱技術(shù)2023/11/235:38小擾動如何誘發(fā)流體振動擾動誘發(fā)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(shù)值，達(dá)到強(qiáng)化傳熱、防止結(jié)垢、防止破壞的目的。流體脈動誘發(fā)盤旋管、盤旋懸伸管、盤形管、波紋管振動。殼程切向進(jìn)水、切向?qū)_進(jìn)水誘發(fā)流體的脈動。1.4

研究ing的強(qiáng)化傳熱技術(shù)2023/11/235:38為某冷凍機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的多機(jī)頭全封閉制冷機(jī)管殼式冷凝器傳熱系數(shù)提高50%以上；體積減小1倍左右為某遠(yuǎn)洋漁船設(shè)計(jì)制造的船用制冷機(jī)管殼式蒸發(fā)器、冷凝器。效果顯著改進(jìn)，冷凝溫度降低3-5，節(jié)能在10%左右。1.4研究ing的強(qiáng)化傳熱技術(shù)1.5應(yīng)用案例2023/11/235:38為某維尼綸集團(tuán)公司生產(chǎn)的新型高效自支承螺旋扁管醋酸乙稀立式冷凝器換熱器減小30%以上為某鋅冶煉企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)兩轉(zhuǎn)兩收系統(tǒng)（二氧化硫轉(zhuǎn)換三氧化硫）采用新型換熱管與合理支承結(jié)構(gòu)相匹配的高效換熱設(shè)備節(jié)約傳熱面積30%以上。1.5應(yīng)用案例2023/11/235:38為某熱力環(huán)保公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的SG型波紋·蛇管換熱器是一種高效的水——水換熱器，總系數(shù)穩(wěn)定在6000W/m2/K以上，是普通換熱器的1.5倍以上，換熱器傳熱溫差可以降低至2-3℃，基本接近溫差極限。為某化工廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)多股流扁管氣——?dú)庥酂峄厥赵O(shè)備，可以回收煙氣余熱的90%，效率高出正常余熱回收的1倍以上。1.5應(yīng)用案例2023/11/235:3842為某家用熱水器企業(yè)開發(fā)的冷凝式熱水器用的冷凝潛熱回收換熱器熱水器熱效率提高至110%