如何提高換熱器的換熱系數(shù)

    換熱器提高傳熱系數(shù),主要從管程和殼程傳熱強化系數(shù)的提高方面上考慮。許多科研工作者已經(jīng)在這一方面上進行了大量的研究,并且取得了很大的成效。本文主要討論了管殼式換熱器管程的強化傳熱——改變管子外形或在管內(nèi)加入插入物,介紹了螺旋槽管、橫紋管、螺旋扁管、管內(nèi)插入物、翅片管、縮放管和三維內(nèi)肋管等多種強化傳熱管的研究進展。

    1、螺旋槽管螺旋槽管是一種管壁上具有外凸和內(nèi)凸的異形管,管壁上的螺旋槽能在有相變和無相變的傳熱中明顯提高管內(nèi)外的傳熱系數(shù),起到雙邊強化的作用。根據(jù)在光管表面加工螺旋槽的類型螺旋槽管有單頭和多頭之分,其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有槽深e、槽距p和槽旋角β。美國、英國、日本從1970年至1980年間對螺旋槽管進行了大量的研究。華南理工大學(xué)、北京理工大學(xué)和重慶大學(xué)也對螺旋槽管進行試驗研究,而且都取得顯著的成效。此外,研究還表明單頭螺旋槽管比多頭螺旋槽管的性能好。目前,無論是從傳熱、流阻、結(jié)垢性能,還是從無相變對流換熱和有相變凝結(jié)換熱,對螺旋槽管的強化傳熱研究從理論到實際已達到較高水平。進一步結(jié)合計算機軟硬件的發(fā)展,對螺旋槽管在不同場合傳熱的模擬和仿真,找出具有較大通用性的關(guān)聯(lián)式以及優(yōu)化螺旋槽管的結(jié)構(gòu)尺寸將是今后研究的方向。
    2、橫紋管1974年前蘇聯(lián)首先提出橫紋管,它是一種用普通圓管作毛胚,在管外壁經(jīng)簡單滾軋出與軸線垂直的凹槽,同時在管內(nèi)形成一圈突起的環(huán)肋。其強化機理為:當(dāng)管內(nèi)流體經(jīng)橫向環(huán)肋時,管壁附近形成軸向漩渦,增加了邊界層的擾動,有利于熱量通過邊界層的傳遞。當(dāng)渦流即將消失時,流體又流經(jīng)下一個橫肋,不斷產(chǎn)生軸向渦流,因而保持連續(xù)且穩(wěn)定的強化作用。橫紋管主要用來強化管內(nèi)單相流體的傳熱,華南理工大學(xué)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在相同流速下,橫紋管流阻比單頭螺旋槽管的小。
    3、螺旋扁管螺旋扁管是瑞士Allares公司首先提出、美國Brown公司經(jīng)過改進的一種換熱管。由于管子的獨特結(jié)構(gòu),流體在管內(nèi)處于螺旋流動,促使湍流程度。經(jīng)實驗研究,表明螺旋扁管管內(nèi)膜傳熱系數(shù)通常比普通圓管大幅度提高,在低雷諾數(shù)時最為明顯,達2～3倍;隨著雷諾數(shù)的增大,通常也可提高傳熱系數(shù)50%以上。
    4、管內(nèi)插入物管內(nèi)插入物的類型有很多,主要有:麻花鐵、螺旋線圈、螺旋帶、螺旋片、扭帶和靜態(tài)混合器等。各種插入物的強化傳熱機理一般可分為以下四種:
    (1)形成旋轉(zhuǎn)流;
    (2)破壞邊界層;
    (3)中心流體與管壁流體產(chǎn)生置換作用;
    (4)產(chǎn)生二次流。管內(nèi)插入物的優(yōu)點是對舊的換熱器設(shè)備進行改造,以提高其換熱性能。在強化傳熱的同時,能達到清除污垢的目的。英國CalGavin公司研制一種叫Heatex的插入物,它由一組延伸至管壁的圓態(tài)體組成,可使管側(cè)傳熱效率提高2～15倍[4]。該公司還開發(fā)了一種叫HitranMatrixElements的花環(huán)式插入物,能在不增大壓降的條件下大大提高傳熱系數(shù)。用于液體工況,可使管殼式換熱器管程傳熱效率提高25倍;用于氣體工況,可使相應(yīng)值提高5倍。此外,與正常流速相比,這種插入物使換熱管的防垢能力提高8～10倍。