换热设备强化传热的分析与措施.docx

换热设备强化传热的分析与措施 路晓琳 【摘 要】换热器是工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，如何有效地改善其传热性能是人们一直所关心的问题，强化传热则是改善其传热性能的最重要手段之一。本文首先介绍了换热器的应用和地位，以传热基本方程式为出发点分析影响换热器传热的因素及改善措施，并对如何有效强化传热系数的方法和技术进行了深入的研究。 【关键字】换热器；强化传热；传热基本方程式；传热系数 随着化工、石油、冶金、轻工等工业领域的迅猛发展，能源紧缺也成为了世界性重大问题之一，尺寸小、重量轻、换热能力大的换热设备因此成为各工业部门大力发展和研究的方向，以减少设备的投资和运转费用。换热器是过程工业中应用广泛的单元设备之一，据统计，在化学行业中，所用换热器的投资大约占设备总投资的30%左右；在炼油厂中，换热器占全部工艺设备的40%左右；在热电厂中，换热器的投资约占整个电厂总投资的70%左右；海水淡化工艺装置更是几乎全部由换热器组成，提高换热器的传热效率，对于提高能量利用率、节能降耗是一种很有效的途径，因此强化传热的研究成为了人们关注的课题。换热器的强化传热就是通过改变影响传热过程的各种因素力求使换热器在单位时间、单位传热面积上传递更多的热量，通过这种改善传热性能的技术，提高换热器的传热效率，以达到用最经济的设备来传递更多热量的目的，实现能源的合理利用。 一、传热强化概述 换热设备稳定传热时的传热量为Q，传热基本方程式可以表示为： Q=KA△tm 由方程式可知，换热设备的换热量分别与传热系数K、换热面积A、传热温差tm成正比，三者均是影响传热量的重要物理量，因此，扩大传热面积A、增大传热温差tm、提高传热系数K均可以使传热过程强化。 1、扩大传热面积A 扩大传热面积是实现换热设备传热强化的一种有效途径，扩大传热面积不应该靠加大设备的外部尺寸来实现，应从设备内部结构来考虑，使换热设备高效而紧凑。在管壳式换热器中，一般采用以下措施： （1） 采用合适导流筒结构，最大限度地换热器传热死区，高效利用换热面； （2）采用小直径换热管，并选择合适的管间距或排列方式来合理的布置受热面，在加大传热面积的同时，还可以改善流动特性； （3）采用扩展表面换热面，尽可能增大换热器的有效传热面积； （4）改良传热表面性能，将管子内、外表面制成各种不同的表面形状； 2、增大传热温差tm 增大传热温差tm的方法一般有两种：一是对无相变的流体，尽可能使冷、热流体相互逆流，或采用换热网络技术，合理的布置多股流体流动与换热；二是增加冷、热流体进出口温度差来增大平均传热温差tm。无论哪种方法，因为有工艺和设备条件的限制，都只能在有限的范围内采用，因此我们不能把增大传热温差tm作为增强换热器传热效果的主要手段。 3、提高传热系数K 提高换热设备的传热系数是传热强化的重要途径，也是当前研究传热强化的重点。提高传热系数的方法大致可以分为一下几种： （1）减小污垢热阻R。换热器在运行一段时间后，由于污垢的积存，会导致单位时间内传热量Q的下降，传热速率降低，因此提高流体流速、减小污垢热阻是强化传热的方法之一。主要方法如下：①采用抗腐蚀、抗污垢性强的换热管；（如聚四氟乙烯塑料管、有机涂层换热管。）②在介质中加入类似无机磷系药剂等阻垢剂类微量物质，阻缓换热器结构，减小垢下腐蚀，（可以确保设备长时间高效运行，延长使用寿命）；③定期清洗污垢，常用方法有机械清洗（高压射流、喷丸、振动和固体颗粒流态化等清洗方式）和化学清洗（酸洗、碱洗、氨洗、专用溶剂和燃烧等清洗除垢法），一般常将机械和化学清洗两者结合使用，但有些清洗剂在溶解垢层的同时，对设备本身也会产生腐蚀，所以需加入缓蚀剂，防止腐蚀。在日常生产中，针对不同换热设备的本身材质、介质性质以及污垢种类等因素，采取不同的除垢方式来减小污垢热阻。 （2）主动式强化（有源强化）。指需要采用外加的动力，消耗外部能量来增强传热的技术。主要通过对换热介质做机械搅拌、促进换热表面振动和流体振动、 利用电磁场促使换热表面附近流体的混合、引射与虹吸等方法来强化传热，由于 主动强化传热技术受外加能量等因素的限制，商业价值低、投资与操作费用大、机理较复杂、伴随有振动和噪声，因此换热器的强化传热目前多采用被动强化。 （3）被动式强化（无源强化）。指不需要附加动力，只改变传热元件本身来增强传热的技术。管壳式换热器的强化传热目前主要分为两个方向：管程强化传热和壳程强化传热。下面将重点介绍。 二、传热系数的强化措施 1、管程强化传热 管程强化传热技术可归纳为两个方面：一是采用新型结构的换热管，通过改变换热管形状以加大管程流体湍流程度或传热面积，二是管内插物。（无论是新型换热管还是管内插物，其机理都是破坏层流边界层，增加流体的湍流程度，提高传热系数，从而提高换热器的整体传