在我国换热器的制造技术远落后于外国,由于制造工艺和科学水平的限制,早期的换热器只能采用简单的结构,而且传热面积小、体积大和笨重,如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展,逐步形成一种管壳式换热器,它不仅单位体积具有较大的传热面积,而且传热效果也较好,长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。
在我国随着经济快速发展的同时,各种不同型式和种类的换热器发展很快,新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要,我国对某些种类的换热器已经建立了标准,形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求:
合理地实现所规定的工艺条件;
结构安全可靠;
便于制造、安装、操作和文修;
经济上合理。
70年代的世界能源危机,有力促进了换热强化技术的发展。为了节能将耗,提高工业生产经济效益,要求开发适用于不同工业过程要求的高效换热设备。所以这些年来,换热器的开发和研究成了人们关注的课题。当今换热器技术的发展以CFD(计算流体力学技术)、模型化技术、强化传热技术等形成一个高技术体系。所谓提高换热器性能,就是提高其传热性能。狭义的强化传热系数指提高流体和传热之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理:温度边界层减勃和调换传热面附近的流体。
因此最近十几年来,强化传热技术受到了工业界的广泛重视,得到了十分迅速的发展,凝结是工业中普遍遇到的另一种相变换热过程,凝结换热系数很高,但经过强化措施还可以进一步提升换热效率。
(1) 管外凝结换热的强化
对冷却表面的特殊处理,主要是为了在冷却表面上产生珠状凝结。珠状凝结的换热系数可比通常的膜状凝结高5~10倍,由于水和有机液体能润湿大部分的金属壁面,所以应采用特殊的表面处理方法(化学覆盖法、聚合物涂层法和电镀法等),使冷凝液不能润湿壁面,从而形成珠状凝结。用电镀法在表面涂一层贵金属,如金、铂、钯等效果很好,缺点是价格昂贵。
(2) 冷却表面的粗糙化
粗糙表面可增加凝结液膜的湍流度,亦可强化凝结换热。实验证明,当粗糙高度为0.5mm时,水蒸气的凝结换热系数可提高90%。值得注意的是,当凝结液膜增厚到可将粗糙壁面淹没时,粗糙度对增强凝结换热不起作用。有时当液膜流速较低时,粗糙壁面还会滞留液膜,对换热反而不利。
(3) 采用扩展表面
在管外膜状凝结中常常采用低肋管,低肋管不但增加换热面积,而且由于冷凝流体的表面张力,肋片上形成的液膜较薄,因此其凝结换热系数可比光管高75%~100%。
(4) 应用螺旋槽管和管外加螺旋线圈
螺旋槽管,管子内外壁均有螺纹槽,既可强化冷凝换热,又可强化冷却35~50%。在管外加螺旋线圈,由于表面张力使凝结液流到金属螺旋线圈的底部而排出,上部及四周液膜变薄,从而凝结换热系数有时甚至可提高2倍。侧的单相对流换热,与光管相比其凝结强度可提高。
(5) 采用流体旋转法
采用螺旋槽管等流体旋转法可以强化凝结换热。换热效率同比提升30%,但此时流动阻力也会增加。
(6) 改变传热面形状
改变传热面形状的方法有多种,其中用于无相变强化传热的有横波纹管、螺旋螺纹管和缩放管,还有螺旋扁管和偏置折边翅片管。都是高效换热元件。
(7) 管内凝结换热的强化
采用内肋管是强化管内凝结的最有效的方法,试验表明,其换热系数比光管高20~40%。按光面计算则换热系数可高1~2倍。
值得注意的是,在强化凝结换热之前,应首先保证凝结过程的正常进行。例如,排除不凝气体的影响,顺利地排除冷凝液等。改变实践证明,在降低流体在壳程的阻力并保证流体在湍流状态下流动,这样才能充分的提高介质的换热系数,内翅片管、横螺纹管、螺旋螺纹管都一样,不但可用于单相对流传热,也可以有效的用于管内流动沸腾传热(螺纹管在湍流时可使对流传热系数增加一倍多)。当然现在各式换热器的设计各有新颖之处,结构上各具特色。原有的换热器厂家最近也研制出一种新型Hybrid换热器,他克服了板式因密封问题而受到限制的弱点,很有发展前途。
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