换热器综述--中国石油大学化工原理讲解.pdf

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1、 化工原理 换热器的强化传热技术综述 班级：卓越 11-2 班 姓名：徐 向 东 甄 宇 匡 崇 三.过滤在生产生活中的应用 1.化工行业能源现状简介 1.1 中国石油化工发展概述 经过几十年的发展，我国石油化工的生产规模已逐渐扩大，自动化水平也有较高发展，是中国的支柱产业之一，也是保证国民经济稳定持续发展重要要素之一。但是由于在研发新产品和技术创新方面有所欠缺，石油化工产品结构不合理，发生供过于求或资源浪费的现象，针对目前石油化工产业发展情况，需要掌握更多先进生产技术，优化生产设备的配置，提高产品的产出率和资源的循环利用。本文就石油化工行业中最为常见的设备换热器来探讨一下能量的利用过程中如何

2、来提高其利用率。1.2 换热器强化传热技术研究的必要性 由于温室效应导致全球气候变暖，为了改善我们的环境，需要我们节能减排，单位 GDP 所消耗的能量减少，而整个石化行业又是我们国家的一个耗能大户，所以我们需要对整个化工生产中的热量进行合理配置。这对于节约能源和保护环境都有重要的意义 强化传热技术是采用强化传热元件，对换热器的结构进行改进，从而提高传热效率同时提高余热利用率，以期达到最优生产目的先进技术。换热器是保证石油化工生产和石油炼制的生产和加工过程能正常进行的重要设备之一。石油化工生产过程中会有大量的余热产生，通过应用强化传热技术，使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量达到最大量，

3、这就可以高效回收生产过程中的余热，并且加以充分利用，达到循环利用资源的目的。2.换热器强化传热的途径 2.1 理论依据 根据总传热速率方程 Q=KAtm可知，要想强化换热器的传热过程，我们可以从三个方面入手，提高传热系数 K，提高传热推动力tm，增大传热面积 A。三.过滤在生产生活中的应用 2.2 换热器结构的改进 2.2.1 传热管的表面结构处理 2.2.1.1 无相变传热 无相变传热是指在对流换热中不发生蒸汽凝结或液体沸腾的换热过程。工业生产中,主要应用的异形管有:螺旋槽管、旋流管、波纹管、缩放管、横纹管、螺旋椭圆扁管、变截面管、内肋管等。这种传热管的特点是：结构简单,加工方便,传热面积增

4、加,传热效果大大增强,换热器的结构更加紧凑,减小投资,节约成本。（1）螺旋槽管 螺旋槽纹管是表面具有螺旋形凹槽的一种强化传热管,传热管内外表面的凸起或槽纹,干扰了管内流体的流动,破坏了层流边界层,流动状态达到充分的湍流,产生的漩涡又不断地扰动边界层的流体,促进了传热管同流体间的热交换。湍流度的增加也有助于避免污垢在传热管壁面的沉积,提高传热系数,增强了管内外流体的换热。螺旋升角对换热的影响很大,大螺旋升角更有利于换热。研究表明,螺旋槽管换热器比光管的传热系数提高了 2-4 倍,在阻力损失和换热面积相同时,换热量可增加 30%-40%。（2）旋流管 旋流管是螺旋槽纹管的衍生品,也叫异型螺旋槽管。

5、其槽纹是半流线的勺形或 W 形,流体在其内流动呈波状特性,它的传热机理与螺旋槽管大体相同。这种传热管的传热面积和传热系数大大增加,传热系数比光管提高 35 倍,并且,在相同传热量下旋流管的换热系数比螺旋槽管高 3%-8%,而压力损失低5%-10%。三.过滤在生产生活中的应用 （3）波纹管 波纹管是表面有波纹状突起的强化传热管,由于波纹管的壁很薄,传热管可以自由伸缩。流体在管内流动时,截面不断的变化,扰动流体,破坏层流边界层,以强化传热。波纹管的传热效率通常是光管的 2-4 倍,同时还具有除垢能力强,温差应力小,结构紧凑轻巧等特点。波纹管的壁薄,有波纹突起,可以有效地消除纵向应力,但是波纹管的强

6、度问题没有很好的解决,应用范围受到限制。（4）横纹管 横纹管由光管的外表面被滚压成一圈圈有序的环形凹槽而成,与管子轴线成 90角。影响横纹槽管综合传热性能的主要结构参数为肋节距和肋形,而肋高影响较小,并且传热综合因子随流动 R e 数增大而迅速降低。横纹抗垢能力要优于光管,渐近污垢热阻值约为光管的 0.83,污垢状态下横纹管的强化比约为 1.4,说明横纹管其性能比光管要好，也比螺纹管好,在同样传热效果下,阻力增加比螺旋槽管少。三.过滤在生产生活中的应用 （5）螺旋椭圆扁管 螺旋椭圆扁管是把圆形光管压成椭圆形,然后扭曲而成,流体在管内处于螺旋流动状态,因而破坏了管壁附近的层流边界层,提高了传热效

7、率。这种管束结构的特点是:两个并行排列的相邻管子的椭圆长轴相互接触,互相支撑,应用这种管的换热器取消了附加的管束支撑物,节约了材料和成本。研究表明,螺旋椭圆扁管换热器具有较好的强化传热性能,管径大小和螺旋导程对传热和阻力性能均有影响。从综合性能来看,大管径优于小管径;对于相同规格的管子,导程增大,传热性能降低,流动阻力减小。这种结构的换热器与光管换热器相比,热流密度高 50%,容积小 30%。2.2.1.2 有相变传热 有相变传热是指在对流换热中发生蒸汽凝结或液体沸腾的换热过程,有相变传热常用的异形管有:锯齿形翅片管、花瓣形翅片管、T 形管和表面多孔管(麻坑管)等。（1）冷凝传热的锯齿形翅片管

8、和花瓣形翅片管 三.过滤在生产生活中的应用 锯齿形翅片管是一种新型传热管,其翅片外缘有锯齿缺口,加强了流体的扰动,促进对流换热,换热面积增大,增强了换热量,锯齿管的传热系数是光管的6 倍,是低肋管的 1.5-2 倍。花瓣形翅片管是一种特殊的三维翅片结构强化传热管,从截面上看,各翅片像花瓣状而得此名。花瓣形翅片管既能显著地强化低表面张力介质及其混合物和含不凝性气体的水蒸气的冷凝传热,又能显著地强化空气和高粘性流体的冷却传热,有研究表明:自然对流条件下,其传热系数比锯齿形翅片管提高了 8%-10%,在强制对流下,是光管的 5-6 倍。三.过滤在生产生活中的应用 （2）强化沸腾传热的 T 形管和表面

9、多孔管 T 形翅片管是由德国的 W ie land 公司于 1978 年开发的,管子的外表面具有多条螺旋的 T 形翅片,以增加汽化核心,并显著的增大了传热面积,具有优良的传热性能。表面多孔管同 T 形管的传热原理相同,它是北京化工设计院在 1978 年通过烧结法试制的,实验用丙酮作工质,测定了在以烧结法制成的表面多孔管上沸腾时的给热系数,约为光滑管的 7-8 倍。尽管这种表面结构具有很好的换热特性,但是,这种管的加工工艺十分复杂,在实际工程应用中并不普遍。2.2.1.3 新型传热元件（1）斜针翅管 斜针翅管是中国石化建筑公司与华南理工大学联合研制的一种新型高效换热器。这种传热管的优点是扩大了二

10、次传热面积,保持较小的管距,利用流体的不断扰动,破坏流体的层流边界层,增加了紊流度,使得传热效率提高,达到强化传热的效果。它主要应用于壳程为油介质的换热器中。流体流经换热管壁面时总存在一层滞留内层,该层传热仅为热传导,导热热阻很大,流体的流速和温度分布都属于抛物线形,只有使滞留层消除或变薄才能够减小热阻,加强传热。斜针翅管强化传热的机理是在扩大二次传热面的同时,利用流体的扰动,提高湍流度,破坏了边界层,也阻止了污垢的积累,强化了传热。研究表明,壳程的流体纵向流动,有效的避免了流体诱导振动的发生,防止管子的振动破坏,具有折流杆换热器的特点;这种传热元件的换热面积能够有效地被利用,不存在换热死区,

11、并且增加了换热面积,同等条件下,换热面积可提高 10%以上。三.过滤在生产生活中的应用 （2）新型钉翅管 新型钉翅管的结构是在光管的外表面交错的排列一个个钉翅。通过理论和实验研究表明,这种新型钉翅管的传热效果明显增强,传热效率大大提高,与光管相比它所消耗的比功并不大,但其传热系数是普通光管 100 倍左右,是翅片管的10 倍左右,是百叶窗翅管的 5 倍左右,努塞尔数 N u 是光管的 65-105 倍。可见,这种传热元件与其它翅片管相比传热效果是最好的,其开发和应用潜力巨大。2.2.2 传热管内插件改造 管内插入物可以扰动管内的流体,增强湍流度,有效地清除污垢,提高传热系数;形成旋转流和二次流

12、;插入件在管内扰动流体,破坏了层流边界层,加快了流体同传热管的换热。常用的内插件有:扭带、间隔扭带、错开扭带、螺旋片、螺旋线、静态混合器等。2.2.3 管束支撑结构 管束支撑是管壳式换热器的重要原件,主要起到支撑管束,减小管束振动和引导壳程流体流向的作用,一种好的管束支撑,能够强化壳程热交热,因此开发新型的管束支撑是非常重要的。工程中应用的管束支撑主要有:弓形折流板、折流栅、螺旋隔板、空心圆环和螺旋折流片等。三.过滤在生产生活中的应用 （1）弓形折流板 弓形折流板包括单弓形折流板和双弓形折流板。双弓形折流板由双弓形隔板和中心隔板 组成。两种隔板沿管束方向交替排列,引导流体波浪式前进。双弓形隔板

13、换热器与间距和缺口相同的单弓型隔板换热器相比,虽然其压降为后者的 0.3-0.5,传热系数为后者的 0.6-0.8,但总体的传热性能是提高的。（2）折流杆支撑结构 折流杆纵流式换热器是 1970 年美国菲利浦石油公司首先提出的,是为了解决传统折流板换热器中管子与折流板的切割破坏和流体诱导振动,这种结构是将管壳式换热器中的折流板改成杆式支承。折流杆式换热器压降很低,低于弓形隔板的 1/4,传热特性比也高,在相同设计条件下,双壳程折流杆换热器的壳程流速提高了 1 倍,壳程的给热系数可提高 52%-74%。另外,折流杆与换热器的接触面积很小,传热面积得到充分利用,消除壳程滞留区,改变了壳程流场的温度

14、分布。（3）螺旋隔板支撑 壳程流体作螺旋运动可以有效地清除污垢死角、强化换热器壳程传热,其壳侧支撑结构是用一系列的扇形面,相间连接,从而在壳侧形成近似的螺旋面,亦称螺旋折流板换热器。这种换热器折流板形成一种特殊的螺旋形结构,与常规折流板的布置方式不同,它使得壳程的流体做螺旋运动。三.过滤在生产生活中的应用 （4）空心圆环支撑结构是采用小直径金属短管以一定间隔布置在换热管束之间,起到支撑传热管和导流作用。这种结构的特点是:壳程间隙率 大,流阻小,流速变化小,流体在空心环处可以充分形成湍流,增强传热;节约钢材,减轻设备重量,钢材的消耗量大大减少,所以,与传统换热器相比,空心圆环换热器在投资费用方面

15、有很大的竞争力,可节省 25%。（5）螺旋折流片 螺旋片传热管是在光管上均匀布置螺旋片,有左旋片管和右旋片管之分。换热器的换热管布置情况是螺旋片管与光管交错排列,左右两根管是螺旋片管,螺旋方向分别是左旋和右旋,上下两根管是光管,放置在螺旋片上,不需要附加管束支撑。螺旋片能诱导生成涡旋流体,形成二次流,增强流体的湍流度,强化流体微团混合,使壁面附近的流速梯度增大,从而减薄粘性边界层底层的厚度,有效 三.过滤在生产生活中的应用 地提高传热系数。同时螺旋片形成的通道还增加了流体的流动路径,提高了流动速度。数值模拟结果表明,螺旋片管的传热系数随着螺旋角的增大而平缓增加,流动阻力损失加大,传热性能明显优

16、于光管,传热系数可提高 40%-100%。2.3 换热器传热介质的改进 2.3.1 增加传热介质扰动 主动式强化传热需要消耗外部能量,如采用电场、磁场、光照射、搅拌、喷射等手段。2.3.1.1 机械振动 包括用机械方法搅动流体、旋转传热表面和表面刮削。带有旋转的换热器管道的装置目前已用于商业应用。表面刮削广泛应用于化学过程工业中黏性流体的批量处理,如高黏度的塑料和气体的流动,其典型代表为刮面式换热器,广泛用于食品工业。2.3.1.2 表面振动 无论是高频率还是低频率振动,都主要用于增强单相流体传热。其机理是振动增强了流体的扰动,从而使传热得以强化。虽然振动本身对强化传热有不小的 三.过滤在生产

17、生活中的应用 贡献,但激发振动所需从外界输入的能量可能会得不偿失。为此,山东大学研究表明,可利用流体诱导振动来强化传热,依靠水流本身激发传热元件振动,会消耗很少的能量。利用流体诱导振动强化传热既能提高对流传热系数,同时又能降低污垢热阻,即实现了所谓的复合式强化传热。2.3.1.3 流体振动 由于换热设备一般质量很大,表面振动这种方法难以应用,然后就出现了流体振动,该方法是振动强化中最实用的一种类型。所使用的振荡发生器从扰流器到压电转换器,振动范围大约从脉动的 1H z 到超声波的 106 H z。主要用于单相流体的强化传热。2.3.1.4 静电场 可以通过很多不同的方法将静电场作用于介电流体。

18、总体来说,静电场可以使传热表面附近的流体产生较大的主体混合,从而使传热强化。静电场还可以和磁场联合使用来形成强制对流或电磁泵。静止流体中加足够强度静电场所形成的电晕风能在一定条件下强化单相流体的传热。如日本 M izushina 以空气为工质研究环形通道内电晕风对强制对流的影响,分别得到了存在电晕风时的努塞尔准数及阻力系数与雷诺数的关系曲线及经验公式。2.3.1.5 喷射 包括通过多孔的传热表面向流动液体中喷射气体,或向上游传热部分喷注类似的流体。2.3.1.6 抽吸 包括在核态沸腾或膜态沸腾中通过多孔的受热表面移走蒸汽和在单相流中通过受热表面排出液体。有研究预测,抽吸能大大提高层流流动和湍流

19、流动的换热系数,其中能大大增强湍流对流换热已被 Aggarwal 等人证实。2.3.2 新型传热介质的探索利用 2.3.2.1 纳米流体 新型传热介质纳米流体即以一定的方式和比例将纳米级金属或非金属氧化物粒子添加到流体中,纳米流体作为一种新型传热介质可以显著强化传热,热量传递发生在颗粒表面.研究表明,在液体中添加纳米粒子,可以显著提高液体的 三.过滤在生产生活中的应用 导热系数,提高热交换系统的传热性能.添加纳米粒子能够显著提高流体导热性能,其主要原因是：纳米粒子在流体中做无规则运动时,粒子所携带的能量发生迁移,这部分能量迁移增强了纳米流体内部的能量传递,提高了纳米流体的热导率；纳米粒子的微运

20、动使粒子与液体间有微对流存在,这种微对流增强了粒子与液体间的能量传递,也提高了纳米流体的热导率；此外,纳米粒子之间的相互作用及碰撞,也起到了增强传热的作用.2.3.2.2 有机热载体 国内目前大部分有机载热体只能在某一温度区间使用，如在 160以上使用的就不适合在 0以下温度区间使用，因为在低温区它的流动性、传热性能都不理想。能适合低温区使用的载热体又不能在高温区使用，因为它的热稳定性和安全性都不适用。目前有一种美国生产的 D12 有机载热体。该传热介质是一种具有良好的高温热稳定性，低温流动性和传热性能的液相合成型有机载热体。可满足-60 230温度范围内加热和冷却的换热需求。无色，几乎无味，

21、无腐蚀性，已获得 FDA 的认证，可以在食品和药品生产的间接加热系统中使用。它的主要参数：外观 无色透明 组分 合成烃 水分 80ppm 闪点 59 运动粘度-29 4.41cp 49 0.182cp 104 0.437cp 密度 756kg/m-3 热膨胀系数 0.001116 常态沸点 192 但是该产品目前进口价格为九万元/t 左右，所以急需要我们自主开发能够工业化生产的材料来满足我们工业发展的需求。2.3.2.3 导热油（1）简单介绍 导热油是有机类传热介质的统称。根据油品的化学成分及其来源，导热油通常被分为矿物类和合成类两大类别。根据油品的物理性质和使用条件，合成类导热油可被分为液相

22、和气/液两相导热油。矿物类导热油是在原油炼制过程中通过 三.过滤在生产生活中的应用 分馏直接获得的，主要化学成分为直链烃类物质，是多种物质的混合物。受其化学和物理性质限制，矿物类导热油只能在液相条件下作为传热介质使用，不可以使用在 300以上的加热系统和 0以下的冷却系统。由技术和经济两个方面原因决定，使用后的矿物油不能通过回收处理的方法重复使用。合成类导热油是通过人工合成方法获得的，主要化学成分是以苯为基础物质的不同化学合成物，该类导热油的组分包括有单纯物质、同分异构物质、几种单纯物质的混合物质或多种合成物质的混合物等多种情况。由于合成导热油的组分可以根据其热稳定性及物性等条件人为加以选择，

23、故该类导热油有多种不同用途的油品，可以满足工业换热中对传热介质的不同需求。大多数合成油在使用中品质发生变化到一定程度后，可经过回收处理后得以 重复使用。（2）安全与环保 导热油的安全、健康及环保性能是用户选择油品时必须考虑的重要问题，因为所选油品的相关性质涉及到对使用该油品系统的设计、设备的选择、操作人员的防护和事故状态下的环境影响等方面因素的考虑，同时与生产过程中的安全操作相关。（3）导热油适用条件 原则上导热油适用于工业加热（冷却）过程中要求传热介质操作温度不低于-80和不高于 400的所有温度情况，但从安全、技术及经济三个方面分析，在极少数情况下，导热油并不适合作为其传热介质去使用，或导

24、热油并不一定是其最佳选择。例如，直接对食品进行加热的传热介质，虽可以选择食品级的导热油作为传热介质，但如果被加热的食品所需的加热温度不超过 200，那么，蒸汽应是一种更廉价和适合的传热介质。但如果所需的加热温度超过 200，则因为蒸汽系统操作压力较高，转而使用食品级导热油则更为适当。此外，如被加热工艺介质为氧化剂或在导热油操作温度下易于发生相变的介质，则应考虑系统内部泄漏的情况下，氧化剂会导致导热油的氧化燃烧；而易于发生相变的工艺介质如因泄漏而获得充足热量并达到其饱和温度时，会发生骤然气化导致系统内压力超高。当然，这种情况可以通过提高设备及系统的安全设计等级加以避免，但如果此条件下工艺加热要求

25、的温度并不太高，蒸汽或其它传热介质便是一种更好的选 三.过滤在生产生活中的应用 择。由于导热油在较低的操作压力下可获得较高的操作温度，在其它传统传热介质无法应用的低温条件下可保持良好的流动性，故导热油在工业换热中适用的条件应该是：在考虑操作安全及经济性的基础上，可以广泛应用 200-400的工业加热和-80-0的工业冷却等用途。除了作为传热介质在工业换热中应用外，部分合成类导热油还可以作为化学溶剂和工艺中间体在化工工艺中使用。此类工业用途主要是利用某些合成导热油的特殊化学成份对某些工艺介质有良好的溶解作用，同时又在高温条件下二者之间不发生化学反应的特殊性质加以使用的。当然，导热油与其它化学物质

26、相比具有更的热稳定性是被选作化学溶剂和工艺中间体的一个重要原因。（4）应用实列 由于导热油作为传热介质有其独特的优点，根据导热油的不同性质及功能，导热油作为传热介质已经广泛应用于加热、冷却、余热回收、太阳能等工业领域及日常生活之中。近十年以来，在中国工业化发展进程中，大量新产品、新技术、新工艺的引进及大规模的工业技术改造，为导热油的工业应用和技术推广提供了难得的机遇，同时，也提高导热油实际应用水平和技术装备水平。目前，导热油在工业换热应用方面已经具有了相当大的规模，并且围绕着导热油的应用及相关服务在国内已形成了一条巨大产业链。根据国内、外的经验和应用实例，采用导热油为传热介质的加热及冷却系统，

27、已经在众多工业领域内得到广泛的、大规模的应用。3.强化传热总结 强化传热技术正在蓬勃的发展,异形强化传热管的研究和探索已经进入高层次发展阶段。传统的异形管加工难度大、成本高,加工设备也比较复杂。改进各种高效换热管的制造技术,或开发结构简单的新型高效换热管,实现高效换热管结构和制造技术的简单化,降低成本,提高设备的使用寿命,是推广和应用各种高效换热管的前提条件,也是换热器的重要发展方向。换热器是石油、化工、动力、能源、冶金、航空、车辆、制冷、食品、环保以及其他许多工业部门广泛使用的通用工艺设备，是保证加工过程正常顺利运转不可缺少的关键部件，在材质消耗、动力消耗及工程投资方面占有很重要的份额。三.过滤在生产生活中的应用 目前，能源危机越来越严重，以能源为中心的社会、经济、环境等问题日益突出，节能和能源的合理有效利用显得尤为重要。在工业生产中占有重要地位的换热器作为能量传递的基础设备，其传热性能的好坏对节能有着极其重要意义。所以我们需要投入大量的精力来开发和研究新型换热器。