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管壳式换热器的换热管强化传热技术浅述 摘要 本文主要介绍了管壳式换热器换热管强化传热技术，分析了各自的原理、优缺点及推荐的使用场合。采用节能技术的换热器不仅提高了能源的利用率,而且减少了金属材料的消耗,对化工行业提高经济效益具有重要意义。 一、换热器强化传热技术的概述 近20年来，石油、化工等过程工业得到了迅猛发展。各工业部门都在大力发展大容量、高节能设备，因此要求提供尺寸小、重量轻、换热能力大的换热设备。 特别是始于20世纪60年代的世界能源危机，加速了当代先进换热技术和节能技术的发展。强化传热已发展成为第二代传热技术，并已成为现代热科学中一个十分引人注目的、蓬勃发展的研究领域。换热器作为一种实现物料之间热量传递的节能设备,在化工、石油、石油化工、冶金、轻工、食品等行业中就得到了普遍应用。 换热设备传热过程的强化主要是使换热设备能在单位时间内、单位面积上传递的热量达到最大化从而实现下述目的： ⑴．减小设计传热面积,以减小换热器的体积和质量⑵．提高现有换热器的换热能力⑶．使换热器能在较低温差下工作⑷．减小换热器的阻力,以减少换热器的动力消耗 二、 强化传热的原理 从传热学中我们知道换热器中的传热量可用下式计算，即 Q=kFΔT （1） 式中： k-传热系数[W/(m2·K)] F-传热面积[m2] ΔT-冷热液体的平均温差[K] 从上式可以看出，欲增加传热量Q，可用增加k、F或ΔT来实现。下面我们对此分别加以讨论。 2.1.增加冷热液体的平均温差ΔT 在换热器中冷热液体的流动方式有四种，即顺流、逆流、交叉流、混合流。在冷热流体进出口温度相同时，逆流的平均温差ΔT最大，顺流时ΔT最小，因此为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的布置。 当然可以用增加冷热流体进出口温度的差别来增加ΔT。比如某一设备采用水冷却时传热量达不到要求，则可采用氟里昂来进行冷却，这时平均温差ΔT就会显著增加。但是在一般的工业设备中，冷热流体的种类和温度的选择常常受到生产工艺过程的限制，不能随意变动；而且这里还存在一个经济性的问题，如许多工业部门经常采用饱和水蒸气作加热工质，当压力为15.86×105Pa时，相应的饱和温度为437K，若为了增加ΔT，采用更高温度的饱和水蒸气，则其饱和压力亦相应提高，此时饱和温度每增高2.5K，相应压力就要上升105Pa。压力增加后换热器设备的壁厚必须增加，从而使设备庞大，笨重，金属消耗量大大增加，虽然可采用矿物油，联苯等作为加热工质，但选择的余地并不大。 综上所述，用增加平均温差ΔT的办法来增加传热只能适用于个别情况。 2.2.扩大换热面积F 扩大换热面积是常用的一种增强换热量的有效方法，如采用小管径。管径越小，耐压越高，而且在金属重量相同的情况下，表面积也越大。采用各种形状的肋片管来增加传热面积其效果就更佳了。这里应特别注意的是肋片（扩展表面）要加在换热系数小的一侧，否则会达不到增强传热的效果。 一些新型的紧凑式换热器，如板式和板翅式换热器，同管壳式换热器相比，在单位体积内可布置的换热面积多得多。如管壳式换热器在1m3体积内仅能布置换热面积150m2左右。而在板式换热器中则可达1500 m2，板翅式换热器中更可达5000 m2，因此在后两种换热器中其传热量要大得多。这就是它们在制冷、石油、化工、航天等部门得以广泛应用的原因。当然紧凑式的板式结构对高温、高压工况就不宜应用。 对于高温、高压工况一般都采用简单的扩展表面，如普通肋片管、销钉管、鳍片管，虽然它们扩展的程度不如板式结构高，但效果仍然是显著的。 采用扩展表面后，如果几何参数选择合适还可同时提高换热器的传热系数，这样增强传热的效果就更好了。值得注意的是，采用扩展面常会使流动阻力增加，金属消耗增加，因此在应用时应进行技术经济比较。 2.3.提高传热系数k 提高传热系数k是强化传热的最重要的的途径，且在换热面积和平均温差给定时，是增加换热量的唯一途径。当管壁较薄时从传热学中我们知道，传热系数k可用下式计算： （2） 式中，α1—热液体和管壁之间的对流换热系数，α2—冷流体和管壁之间的对流换热系数，δ—管壁的厚度，λ—管壁的导热系数。 一般讲金属壁很薄，导热系数很大，δ/λ可以忽略。因此传热系数k可以近似写成：k=α1α2/（α1+α2）。由此可知欲增加k，就必须增加α1和α2，但当α1和α2相差较大时，增加它们之中较小的一个最有效。 要想增加对流换热系数，就需根据对流换热的特点，采用不同的强化方法。我国学者过增元院士在研究对流换热强化时，提出了著名的场协同理论。该理论指出要获得高的对流换热系数的主要途径有：1）提高流体速度场和温度场