換熱器熱效率提高研究

【摘要】節(jié)約能源是當(dāng)今世界的一種重要社會(huì)意識(shí)，世界各國(guó)下大力量尋找新的能源以及在節(jié)約能源上研究新途徑，換熱設(shè)備的研究受到了高度重視。換熱器的換熱技術(shù)的研究，主要集中在對(duì)換熱器內(nèi)流體流態(tài)變化以及對(duì)各部件的參數(shù)優(yōu)化研究?jī)煞矫妫瑩Q熱器內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)是影響換熱器綜合性能的重要因素。本文敘述了換熱器提高熱效率的幾個(gè)因素，以及介紹當(dāng)前常用的幾種換熱器，并對(duì)換熱器研究存在幾個(gè)不足進(jìn)行闡述，并對(duì)換熱器的前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】換熱器；熱效率；換熱管

【中圖分類號(hào)】TM924.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2012）09-0013-02

引言

節(jié)約能源是當(dāng)今世界的一種重要社會(huì)意識(shí)，加強(qiáng)用能管理，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理以及環(huán)境和社會(huì)可以承受的措施，從能源生產(chǎn)到消費(fèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)，降低消耗、減少損失和污染物排放、制止浪費(fèi)，有效、合理地利用能源。世界各國(guó)下大力量尋找新的能源以及在節(jié)約能源上研究新途徑，換熱設(shè)備的研究受到了高度重視。近年來(lái)，能源與材料費(fèi)用的不斷增長(zhǎng)極大地推動(dòng)了對(duì)高效節(jié)能換熱器的研究，地下工程空間有限，高效率的換熱器能節(jié)約地下工程的使用空間和能源，特別在我國(guó)石油化工產(chǎn)業(yè)換熱器受到普遍的重視。目前換熱器已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域（如食品、制藥、石油化工、空調(diào)、動(dòng)力、冶金、輕工等）得到廣泛的應(yīng)用，決定了換熱器換熱性能的改善，設(shè)計(jì)理論的不斷創(chuàng)新，企業(yè)經(jīng)濟(jì)的收益和工業(yè)的飛速發(fā)展，都具有一定的積極作用，為節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境有顯著的貢獻(xiàn)。

1、換熱器分類及發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科學(xué)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，各種換熱器層出不窮，換熱器按照其功能可分為冷凝器、蒸發(fā)器、再熱器、過(guò)熱器等。按照制造熱交換器的材料來(lái)分：金屬的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。按照溫度狀況來(lái)分：溫度工況穩(wěn)定的熱交換器，熱流大小以及在指定熱交換區(qū)域內(nèi)的溫度不隨時(shí)間而變；溫度工況不穩(wěn)定的熱交換器，傳熱面上的熱流和溫度都隨時(shí)間改變。按照熱流體與冷流體的流動(dòng)方向來(lái)分：順流式、逆流式、措流式、混流式。按照傳送熱量的方法來(lái)分：?jiǎn)柋谑健⒒旌鲜健⑿顭崾降取?/p>

換熱器按換熱部件的特點(diǎn)最常見的有：管套式換熱器、管殼式換熱器、翅片管式換熱器、板式換熱器（包括板片式換熱器和板翅式換熱器）等。

1.1 套管式換熱器

套管式換熱器，將不同直徑的兩根管子桃城的同心套管作為元件，然后把多個(gè)元件加以連接而成的一種換熱器，工作室兩種流體以純順流或純逆流方式流動(dòng)。套管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于高溫、高壓流體，特別是小容量流體的傳熱。另外，只要做成內(nèi)管可以抽出的套管，就可清除污垢，所以它也使用于易生污垢的流體，他的主要缺點(diǎn)是流動(dòng)阻力大，金屬消耗量多，管間接頭較多，易發(fā)生泄漏；而且體積大，占地面積大，多用于傳熱面積不大的換熱器。

1.2 管殼式換熱器

管殼式換熱器，進(jìn)行熱交換操作的通用工藝設(shè)備，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的問壁式換熱器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，廣泛應(yīng)用于化工、石油、石油化工、電力、輕工、冶金、原子能、造船、航空、供熱等工業(yè)部門中，特別是在石油煉制和化學(xué)加工裝置中，占有極其重要的地位。

1.3 板式換熱器

板式換熱器，由高效傳熱波紋板片及框架組成。板片由螺栓夾緊在固定壓緊板及活動(dòng)壓緊板之間，在換熱器內(nèi)部就構(gòu)成了許多流道，板與板之間用橡膠密封。壓緊板上有本設(shè)備與外部連接的接管。板片用優(yōu)質(zhì)耐腐蝕金屬薄板壓制而成，四角沖有供介質(zhì)進(jìn)出的角孔，上下有掛孔。人字形波紋能增加對(duì)流體的擾動(dòng)，使流體在低速下能達(dá)到湍流狀態(tài)，獲得高的傳熱效果。并采用特殊結(jié)構(gòu)，保證兩種流體介質(zhì)不會(huì)串漏。

1.4 熱管換熱器

熱管是一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它通過(guò)在全封閉真空管殼內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是抗氧化、耐高溫性能較差，此缺點(diǎn)可以通過(guò)在前部安裝一套陶瓷換熱器來(lái)予以解決，陶瓷換熱器較好地解決了耐高溫、耐腐蝕的難題。以熱管為傳熱元件的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小、有利于控制露點(diǎn)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煉油、鍋爐、陶瓷、交通、輕紡、機(jī)械等行業(yè)中，作為廢熱回收和工藝過(guò)程中熱能利用的節(jié)能設(shè)備，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2、換熱器提高熱效率的研究

新型換熱器的性能的提綱，主要有以下內(nèi)容：

2.1 管內(nèi)螺旋流動(dòng)為研究對(duì)象

以管內(nèi)螺旋流動(dòng)為研究對(duì)象，以換熱管內(nèi)置扭帶為模型，分別用解析和數(shù)值模擬的方法分析了管內(nèi)螺旋流動(dòng)，討論了扭比和雷諾數(shù)對(duì)流體流動(dòng)和傳熱的影響，得出螺旋流動(dòng)強(qiáng)化傳熱的機(jī)理主要是：扭帶使管內(nèi)流體作螺旋流動(dòng)，提高了流速，隨之次流也增強(qiáng)，減薄了流動(dòng)邊界層和傳熱邊界層，從而強(qiáng)化了管內(nèi)的對(duì)流換熱。螺旋流道的截面積沿軸向沒有變化，流體沒有產(chǎn)生渦和回流，流體流動(dòng)連續(xù)通暢、穩(wěn)定。提高雷諾數(shù)、減小扭比都可提高流體的流速，使傳熱系數(shù)增大，從而強(qiáng)化了管內(nèi)的對(duì)流傳熱。

2.2 以管外螺旋流動(dòng)為研究對(duì)象

以管外螺旋流動(dòng)為研究對(duì)象，以螺旋扭片套管換熱器為模型，用同樣的方法分析了管外螺旋流動(dòng)，討論了螺旋角和雷諾數(shù)對(duì)管外螺旋流動(dòng)和傳熱的影響，得出管外螺旋流動(dòng)與管內(nèi)螺旋流動(dòng)有著相同的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，同樣可以提高傳熱系數(shù)。管外螺旋流道的橫截面積沿軸向不會(huì)變化，不會(huì)出現(xiàn)渦和回流，流體流動(dòng)連續(xù)通暢、穩(wěn)定。管外螺旋流動(dòng)和管內(nèi)螺旋流動(dòng)不同的是扭片和扭帶的作用范圍，扭片的作用范圍較小，對(duì)流體的影響比扭帶小，做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能擴(kuò)大扭片的作用范圍。

3、當(dāng)前換熱器研究存在的不足

（1）換熱器換熱的理論研究不夠完善，可供對(duì)肋片實(shí)際應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)太少，對(duì)于換熱公式推導(dǎo)出的解析解較少，目前大多是通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析擬和而成的經(jīng)驗(yàn)公式；

（2）換熱的理論體系缺乏系統(tǒng)性，不夠完善；

（3）因?yàn)樵囼?yàn)環(huán)境，材料，儀器的精度以及試驗(yàn)方法不同，在同一個(gè)研究方向的某些問題的研究結(jié)論存在的分歧較多，很難形成統(tǒng)一的意見，暫不能形成對(duì)實(shí)踐的可靠指導(dǎo)；

（4）目前對(duì)換熱器的研究大多基于一維、二維的換熱，國(guó)內(nèi)對(duì)于三維的換熱模型的研究過(guò)少，同時(shí)，對(duì)于一維和二維傳熱模型的前提假設(shè)條件很苛刻，得出的結(jié)論適用性不強(qiáng)；

（5）結(jié)合試驗(yàn)建立的部分換熱理論還缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性和局限性。

換熱器研究的發(fā)展前景

新型換熱管的形狀研究過(guò)少，目前的研究?jī)H局限于傳統(tǒng)的圓形或矩形換熱管上，對(duì)更高效的換熱管型的探索研究比較缺乏。對(duì)換熱管排數(shù)和排列方式對(duì)換熱器整體換熱性能的影響研究的理論體系還沒形成，目前對(duì)于此方面的研究多以實(shí)驗(yàn)研究為主，然后從實(shí)驗(yàn)中提取經(jīng)驗(yàn)公式，關(guān)于管排數(shù)的純理論的換熱理論還沒有得到建立。

作為衡量換熱器性能時(shí)的換熱效率，已不能作為換熱器設(shè)計(jì)選型的標(biāo)準(zhǔn)，換熱效率高并不意味著制造成本的節(jié)省以及換熱效果最佳化；傳熱因子和摩擦因子是比較合適的衡量換熱器整體性能的指標(biāo)，但是需要綜合考慮此兩種因素后建立換熱器最優(yōu)化換熱的統(tǒng)一理論，單一的考慮換熱因子或者摩擦因子的大小對(duì)于衡量換熱器換熱性能沒有任何意義。

4、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前換熱器換熱的研究在理論基礎(chǔ)方面還有待深入，在能源日趨緊張的今天，可依據(jù)的換熱器設(shè)計(jì)理論系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于強(qiáng)化換熱和節(jié)能意義重大，在完善換熱理論體系上，還需要做大量的理論和實(shí)驗(yàn)工作。

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