管殼式換熱器殼程的傳熱強(qiáng)化探討

李奇

摘要：本次研究以工業(yè)技術(shù)作為研究主題，選取與其節(jié)能技術(shù)密切相關(guān)的管殼式換熱器作為研究對象，探討管殼式換熱器殼程的傳熱強(qiáng)化問題。具體論述中結(jié)合當(dāng)前管殼式換熱器的一般發(fā)展情況，對其殼程的強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)行簡要說明，然后從構(gòu)成換熱器殼程的典型結(jié)構(gòu)方面展開分析，并從物理性能與傳熱工作原理的角度進(jìn)行細(xì)致討論。

關(guān)鍵詞：管殼式換熱器;殼程;傳熱強(qiáng)化;探討

現(xiàn)代工業(yè)受到能源供需的限制，由于全球范圍內(nèi)均存在急劇增長的能源危機(jī)與生態(tài)危機(jī)，因此，在實(shí)際的現(xiàn)代工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展中，必然要求走可持續(xù)發(fā)展的道路，并將這種可持續(xù)的方式轉(zhuǎn)化到具體的節(jié)能減排方案之中，進(jìn)而選擇一些有利于促進(jìn)節(jié)能的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用。以本次研究為例，傳熱技術(shù)在本質(zhì)上是通過傳熱單位面積的擴(kuò)大而達(dá)到節(jié)能目的，所以，在當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的大背景之下，有必要透過對強(qiáng)化傳熱技術(shù)的進(jìn)一步研究，促進(jìn)我國工業(yè)生產(chǎn)的效率，降低能源消耗率。

1、管殼式換熱器及其殼程的傳熱強(qiáng)化概述

在換熱器類型中，管殼式換熱器因其典型結(jié)構(gòu)的比較優(yōu)勢取得了主導(dǎo)性特征，經(jīng)驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，它的使用率占到整個換熱器總量的七成之多，因此，對其殼程的傳熱強(qiáng)化無疑對整個工業(yè)產(chǎn)業(yè)的效率提升與“節(jié)能降排”具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。就目前而言，在提升傳熱效率方面，主要可以選擇兩條進(jìn)路，一條是利用過程結(jié)構(gòu)的固有特征，通過增強(qiáng)其流體湍流加以實(shí)現(xiàn);比如，憑借組織手段的高效化，引導(dǎo)殼程流體流動，進(jìn)而在速度矢量和熱流矢量夾角方面進(jìn)行減小夾角處理等。另一條是通過對換熱元件一換熱管的優(yōu)化加以實(shí)現(xiàn)，該方面的實(shí)際措施主要集中于對換熱管外表面的傳熱處理，具體就是利用換熱管本身的形態(tài)構(gòu)造，從自支撐結(jié)構(gòu)方面，對其相應(yīng)的容積與面積關(guān)系進(jìn)行換算，并借助其中的管式排列組合方式進(jìn)行截面?zhèn)鳠崃康膿Q算等。從現(xiàn)階段的應(yīng)用普遍程度與節(jié)能效率觀察，在結(jié)構(gòu)方面的典型改造，或者增強(qiáng)新型元器件，或者通過元器件的重新組織，均能夠在滿足基本傳熱機(jī)理的前提下，優(yōu)化傳熱性能，從而在根本上實(shí)現(xiàn)管殼式換熱器性能提升，及其殼程的傳熱效果的強(qiáng)化。

2、管殼式換熱器殼程的傳熱強(qiáng)化分析

管殼式換熱器殼程的傳熱媒介主要以結(jié)構(gòu)為主，因而可以根據(jù)不同的典型結(jié)構(gòu)，針對眭的是上述兩種傳熱強(qiáng)化方案，以換熱管外表面?zhèn)鳠釓?qiáng)化為例，它主要集中表現(xiàn)在換熱管自支撐結(jié)構(gòu)方面;而其它結(jié)構(gòu)類型如空心環(huán)導(dǎo)流、螺旋折流板導(dǎo)流、板式導(dǎo)流與桿式導(dǎo)流等結(jié)構(gòu)均與流體湍流相關(guān)，所以，在實(shí)際的分析中因篇幅限定，只對其中的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。

2.1以換熱管外表面?zhèn)鳠釓?qiáng)化為例

在換熱管外表面?zhèn)鳠釓?qiáng)化方面，需要明確自支撐結(jié)構(gòu)的基本特征，明晰其中外表面突出部分之間的相互支承關(guān)聯(lián)屬性。進(jìn)而根據(jù)管子排列的松緊程度，進(jìn)一步區(qū)分換熱面積與間距之間的關(guān)系，以此尋找強(qiáng)化路徑。比如，當(dāng)換熱管中的管子排列相對密集時，換熱面積在單位體積內(nèi)會獲得擴(kuò)展;因此，管距小時，能夠有效的提升殼程流速，進(jìn)而有減薄傳熱邊界。再如，傳熱管屬于管狀形態(tài)，當(dāng)截面形狀發(fā)生變化時，就可以根據(jù)傳熱的一般特征，對管內(nèi)與管外的流體傳熱效果起到一定的增強(qiáng)作用。在這個方面的具體實(shí)踐，應(yīng)該以換熱管的自支撐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)構(gòu)架作為強(qiáng)化的機(jī)理，進(jìn)而針對其中的不同表現(xiàn)形式進(jìn)行對應(yīng)的外表面?zhèn)鳠釓?qiáng)化，當(dāng)前主要的表現(xiàn)形式包括了變截面管式、刺孔膜片式，以及兩類螺旋式，如螺旋扁管式與螺旋折流片式。結(jié)合日常傳熱強(qiáng)化實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議在換熱管同一結(jié)構(gòu)不同表現(xiàn)形式方面進(jìn)行具體的強(qiáng)化處理。

2.2以流體湍流增強(qiáng)傳熱強(qiáng)化為例

2.2.1旋流阿板導(dǎo)流結(jié)構(gòu)中的傳熱強(qiáng)化

從構(gòu)成方面觀察，旋流網(wǎng)板導(dǎo)流在本質(zhì)上與空心環(huán)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)基本相似，其中的旋流片只是一小段金屬紐帶，軸像投影為圓弧，所以，實(shí)際的旋流片安裝位置在空心環(huán)的空間處所。換句話講，利用流體自旋流手段，可以有效的提升對流傳熱。具體而言，當(dāng)旋流片上有流體經(jīng)過時，就可以根據(jù)運(yùn)動特征而發(fā)生旋流運(yùn)動;但當(dāng)其不流過或離開時，就會存在一定的間距，而在這個間距范圍內(nèi)就可發(fā)生自旋流現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)上是自旋運(yùn)動的繼續(xù)，因此，這種自旋流可以使流體在速度場與溫度場方面實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用，進(jìn)而達(dá)到傳熱效率提高的目標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)階段的一般實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果觀察，與空心環(huán)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)相比，旋流網(wǎng)板結(jié)構(gòu)的傳熱與流體阻力綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者，根據(jù)最高限界值劃分，可以高出18%，因此，在硫酸工業(yè)方面的應(yīng)用也能夠很好的實(shí)現(xiàn)效率提高。

2.2.2螺旋折流板導(dǎo)流結(jié)構(gòu)中的傳熱強(qiáng)化

當(dāng)折流板作為螺旋形狀進(jìn)行形式表現(xiàn)時，它作用于流體，就能夠以引導(dǎo)的方式，使其沿中心作螺旋式流動，這樣，就能夠使殼體中心—?dú)んw邊緣之間的速度梯度在流動速度的影響下，讓流體換熱管表面形成湍流，同時使其達(dá)到減薄效果，結(jié)果就能夠使傳熱效果得到顯著提升。與傳統(tǒng)的弓形折流板相比，流動死區(qū)被有效轉(zhuǎn)化為流動速度區(qū)，因而可以命名換熱器的功能特性獲得有效發(fā)揮，所以，從綜合性能方面觀察，螺旋折流板的性能優(yōu)勢更強(qiáng)。但是，由于連續(xù)折流板存在加工方面的短板，所以為了有效的實(shí)現(xiàn)工業(yè)化推廣與普遍應(yīng)用，就需要進(jìn)行一些折流板形狀方面的處理，如利用1/4扇形折流板形式，就可以很好的將螺旋式形狀進(jìn)行有效推進(jìn)，確保它始終滿足沿殼體軸線方向推進(jìn)的基本要求。另外，在該提升措施之下，還要注重它的應(yīng)用范圍，這是由于“漏流”現(xiàn)象對于換熱器能力存在一定的限制，因而需要將它的使用限定在大流量方面，以此保障使用功能效果。結(jié)合當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用效果進(jìn)行比較觀察，可以發(fā)現(xiàn)在螺旋折流板的同一條件限定下，換熱效果能夠比傳統(tǒng)弓形折流板提升近1.8倍之多，而且相應(yīng)的會減少流動阻力，減阻力度至少達(dá)到25%。

3、結(jié)束語

現(xiàn)代社會的發(fā)展離不開工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，而工業(yè)產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)發(fā)展又不離開實(shí)際的節(jié)能減排技術(shù)，也就是說，需要對工業(yè)產(chǎn)業(yè)的各個環(huán)節(jié)實(shí)施一些技術(shù)性的優(yōu)化配置，進(jìn)而提升其生產(chǎn)效率，減少污染物排放率。結(jié)合以上分析可以認(rèn)識到作為傳熱設(shè)備的管殼式換熱器在同類產(chǎn)品中具有突出的主導(dǎo)地位，因而應(yīng)該以其固有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，進(jìn)一步加強(qiáng)性能優(yōu)化與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，從而使其中的傳熱強(qiáng)化功能得到最佳發(fā)揮。就目前而言，建議針對不同的結(jié)構(gòu)類型，抓取其中的典型性與功能性，進(jìn)而促進(jìn)不同典型結(jié)構(gòu)類型的專題化研究，為其進(jìn)一步的優(yōu)化應(yīng)用提供科學(xué)路徑。