换热器的强化传热

管壳式换热器强化传热技术概述马越中国矿业大学化工学院,江苏徐州，221116摘要:总结了近年来国内外新型管壳式换热器的研究进展，从管程、壳程、管束三方面介绍了管壳式换热器的发展历程、结构改进及强化传热机理,并与普通弓形折流板换热器进行对比，概括了各式换热器的强化传热特点。

最后指出了换热器的研究方向。

关键词:管壳式换热器；强化传热;研究方向Overview of the Shell and Tube Heat Exchangers about Heat TransferEnhancement TechnologyMA YueCUMT,Xuzhou，jiangsu，221116Abstract:Abstract : The research progress of shell and tube heat exchanger were summarized. The development structural improvement and heat transfer enhancement of the heat exchangers were introduced through three aspects e. g. tube pass shell pass and the whole tub bundle etc. Compared with the traditional segmental bame heat exchanger various types of heat exchangers'characteristics about heat transfer enhancement were epitomized。

At last，the studying directions of heat exchangers were pointed out.Key words：shell and tube heat exchanger;heat transfer enhancement；studying direction1引言《“十二五”节能减排综合性工作方案》明确提出,到2015年,全国万元国内生产总值能耗下降到0。

1、强化传热的目的是什么？（1）减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；（2）提高现有换热器的能力；（3）使换热器能在较低温差下工作；（4）减少换热器的阻力，以减少换热器的动力消耗。

2、采用什么方法解决传热技术的选用问题？（1）在给定工质温度、热负荷以及总流动阻力的条件下，先用简明方法对拟采用的强化传热技术从使换热器尺寸大小、质轻的角度进行比较。

这一方法虽不全面，但分析表明，按此法进行比较得出的最佳强化传热技术一般在改变固定换热器三个主要性能参数（换热器尺寸、总阻力和热负荷）中的其他两个，再从第三个性能参数最佳角度进行比较时也是最好的。

（2）分析需要强化传热处的工质流动结构、热负荷分布特点以及温度场分布工况，以定出有效的强化传热技术，使流动阻力最小而传热系数最大。

（3）比较采用强化传热技术后的换热器制造工艺、安全运行工况以及经济性问题。

3、表面式换热器的强化传热途径有哪些？（1）增大平均传热温差以强化传热；（2）增加换热面积以强化传热；（3）提高传热系数以强化传热。

4、何为有功和无功强化传热技术？包括哪些方法？从提高传热系数的各种强化传热技术分，则可分为有功强化传热技术和无功强化传热技术两类。

前者也称主动强化传热技术、有源强化技术、后者也称为被动强化技术、无源强化技术。

有功强化传热技术需要应用外部能量来达到强化传热的目的；无功传热强化技术则无需应用外部能量即能达到强化传热的目的。

有功强化传热技术包括机械强化法、震动强化、静电场法和抽压法等；无功强化传热技术包括表面特殊处理法、粗糙表面法、扩展表面法、装设强化元件法、加入扰动流体法等。

5、单项流体管内强制对流换热时，层流和紊流的强化有何不同？当流体做层流运动时，流体沿相互平行的流线分层流动，各层流体间互不掺混，垂直于流动方向上的热量传递只能依靠流体内部的导热进行，因而换热强度较低。

因此，对于强化层流流动的换热，应以改变流体的流动状态为主要手段。

换热器的强化传热所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。

换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积（F）；加大传热温差；提高传热系数（K）。

1 换热器强化传热的方式1.1 扩展传热面积F扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。

在扩展换热器传热面积的过程中，如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热量，不光需要增加设备投资，设备占地面积大、同时，对传热效果的增强作用也不明显，这种方法现在已经淘汰。

现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备高效、紧凑的目的。

1.2 加大传热温差Δt加大换热器传热温差Δt是加强换热器换热效果常用的措施之一。

在换热器使用过程中，提高辐射采暖板管内蒸汽的压力，提高热水采暖的热水温度，冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水，空气冷却器中降低冷却水的温度等，都可以直接增加换热器传热温差Δt。

但是，增加换热器传热温差Δt是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段，使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。

例如，我们在提高辐射采暖板的蒸汽温度过程中，不能超过辐射采暖允许的辐射强度，辐射采暖板蒸汽温度的增加实际上是一种受限制的增加，依靠增加换热器传热温差Δt只能有限度的提高换热器换热效果；同时，我们应该认识到，传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。

所以，不能一味追求传热温差的增加，而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。

1.3 增强传热系数（K）增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。

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关键热阻与强化换热器传热过程的措施徐忠娟(扬州化工学校， 扬州 225002)摘要： 本文阐明了强化换热器传热过程的最主要途径是降低关键热阻，分析了各种情况下的关键热阻，并对如何降低关键热阻提出了具体的措施。

关键词：关健热阻；换热器；传热系数；给热系数对于如何对换热器的传热进行强化，不少教科书和文献都作了分析，但在具体情况下采取何种措施，分析很少。

本文结合关键热阻［1］的概念进行了具体分析。

1. 强化传热途径分析：由传热速率方程式m t KA ∆=Q 可以看出换热器传热过程的强化可通过增大传热平均温度差m t ∆，增大传热面积A 和增大总传热系数Ｋ三个途径来实现。

1.1 增大传热平均温度差m t ∆传热平均温度差的大小主要取决于两流体的温度条件。

物料的温度由生产工艺决定，一般是不能随意变动，而加热介质和冷却介质的温度因所选介质的不同而不同。

显然这种方法受生产工艺、设备条件、环境条件及经济性等方面的限制，实际操作时有一定的局限性。

1.2 增大传热面积A增大传热面积A 可使传热量Q 增大，这对新设计的换热器而言，通常增大传热面积就意味着增加金属材料的用量，使设备投资费用提高，因此，我们在进行换热器的设计时应从设备结构入手，尽可能增加单位容积所具有的传热面积，有些措施见下面分析。

但是在既定的换热器上想增大传热面积是不现实的。

1.3 增大总传热系数Ｋ增大总传热系数Ｋ（即降低总热阻1/K ）是换热器强化传热的最主要的途径，无论是在换热器的设计时还是在换热器的运行中都必须设法提高K 值。

这也是当今世界上强化传热研究的重要工作。

那么如何提高总传热系数Ｋ呢？下面就这一问题笔者将作详细的分析。

2. 增大总传热系数Ｋ的措施分析由总传热系数Ｋ的估算公式：1110αλδα++++=A A i R R K i可见，传热过程是一较复杂的过程，传热的总热阻是串联各项热阻之和。

传热实验一、实验目的1、熟悉套管换热器、列管换热器的结构及操作方法；2、通过对套管换热器空气-水蒸汽传热性能的实验研究，掌握对流传热系数的测定方法；3、确定套管传热管强化前后内管中空气的强制湍流换热关联式，并比较强化传热前后的效果；4、通过对列管换热器传热性能实验研究，掌握总传热系数K 的测定方法，并对变换面积前后换热性能进行比较。

二、实验原理1、普通套管换热器传热系数测定及准数关联式的确定：(1)对流传热系数i α的测定：对流传热系数i α可以根据牛顿冷却定律，通过实验来测定。

i i i mQ S t α=⨯⨯∆(1)i i m iQ t S α=∆⨯(2)式中：i α—管内流体对流传热系数，W/(m 2·℃)；i Q —管内传热速率，W ；i S —管内换热面积，m 2；m t ∆—壁面与主流体间的温度差，℃。

平均温度差由下式确定：m w t t t∆=-(3)式中：t —冷流体的入口、出口平均温度，℃；w t —壁面平均温度，℃。

因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，w t 用来表示，由于管外使用蒸汽，所以w t 近似等于热流体的平均温度。

管内换热面积：i i iS d L π=(4)式中：i d —内管管内径，m ；i L —传热管测量段的实际长度，m 。

由热量衡算式：21()i i pi i i Q W c t t =-(5)其中质量流量由下式求得：3600i i i V W ρ=(6)式中：i V —冷流体在套管内的平均体积流量，m 3/h ；pi c —冷流体的定压比热，kJ/(kg·℃)；i ρ—冷流体的密度，kg/m 3；pi c 和i ρ可根据定性温度查得，122i i m t t t +=为m 冷流体进出口平均温度；1i t 、2i t 、w t 、i V 可采取一定的测量手段得到。

(2)对流传热系数准数关联式的实验确定：流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为：m ni i i Nu ARe Pr =(7)其中：i i i i d Nu αλ=，i i i i i u d Re ρμ=，pi i i ic Pr μλ=。

传热学-影响间壁式换热器性能的因素及强化措施间壁式换热器主要以热传导、对流形式传热。

但管壁导热热阻较小，对传热影响不大.影响其传热过程的因素主要来自对流传热过程，其中影响较大的有以下几方面。

1)流体的种类和相变:不同的液体、气体或蒸汽的对流传热系数都不相同，牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别。

流体有相变的传热过程，其传热机理不同于无相变过程，所以传热系数不同。

2)流体的特性:对对流传热系数影响较大的流体物性有导热系数、乳度、比热容、密度以及体积膨胀系数。

对同一种流体，流体的物性不同，对流传热系数亦不同。

3)流体的流动状态:由层流和湍流的传热机理可知，流体处于层流状态，对流传热系数较小，流体处于剧烈的湍流状态时，对流传热系数大。

4)流体流动的原因:按引起流动的原因分，对流传热分为自然对流和强制对流。

强制对流的传热系数较自然对流的传热系数大几倍甚至几十倍。

5)传热面的形状、位置和大小:传热面的形状(如管、板、环隙、翅片等)、传热面方位和布置(水平或垂直放置，管束的排列方式等)及管道尺寸(如管径和管长等)都直接影响对流传热系数。

6)流体的温度:流体的温度对对流传热的影响表现在流体温度和壁面温度之差、流体物性随温度变化的程度以及附加自然对流等方面。

此外，由于流体内部温度分布不均匀，必然导致密度的差异，从而产生附加的自然对流，这种影响又与热流方向及管子排列情况等有关。

此外，换热器在实际操作中，传热表面上常有污垢积存，对传热产生附加热阻，所以生产用的换热器要防止和减少污垢层的形成，降低其对传热效果的影响。

2·间壁式换热器传热过称的强化路径换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量尽可能增多。

其意义在于:在设备投资及输送功耗一定的条件下，获得较大的传热量，从而增大设备容量，提高劳动生产率;在设备容量不变的情况下使其结构更加紧凑，减少占地空间，节约材料，降低成本:在某种特定技术过程中使某些特殊工艺要求得以实施等。

强化传热Enhanced heat transfer课程代码：(02410109)学分:2.0学时：32 (其中：课堂教学学时：32实验学时：。

上机学时：0课程实践学时:0 )先修课程：工程传热学、工程流体力学适用专业：能源与动力学工程教材：(强化传热技术、林宗虎等编著、化学工业出版社、第1版)一、课程性质与课程目标(-)课程性质强化传热是一门涉及强化传热领域前沿技术和展示最新研究进展的概论性课程，是能源与动力工程专业四年制本科的专业选修课。

通过对该课程的学习，学生能够了解强化传热领域的最新科技进展，拓展学术视野，培养学生分析和解决工程实践问题的综合能力。

(二)课程目标课程目标1:拓展学生在强化传热领域的知识面，了解学科前沿成果与进展课程目标2：培养学生具备跟踪强化传热领域最新科技进展的能力和意识课程目标3：培养学生利用理论知识分析和解决工程实践问题的综合能力二、课程内容与教学要求第一章(-)课程内容通过对本章学习，让学生能够了解强化传热在国民经济和社会发展中的重要意义，激发学生对这门课程的学习热情。

理解强化传热的基本概念及分类，掌握强化传热的基本原理及有效途径，让学生对这门课程的学习有初步的了解认识。

（二）教学要求1. 了解强化传热课程的背景及意义；2.理解强化传热的基本概念及分类；3.掌握强化传热的基本原理及有效途径。

（三）重点与难点1.重点：强化传热的基本概念及分类2.难点：强化传热技术的基本原理及有效途径第二章（一）课程内容通过对本章学习，让学生能够了解管内单相流体强制对流换热在国民经济和社会发展中的重要意义，理解管内单相流体强制对流换热的基本概念，掌握管内单相流体强制对流换热的基本原理及有效措施（途径），了解管内单相流体强制对流换热的相关研究进展和学术动态。

（二）教学要求1. 了解管内单相流体强制对流换热的意义；2.理解管内单相流体强制对流换热的概念；3.掌握管内单相流体强制对流换热的原理；4. 了解管内单相流体强制对流换热的研究进展。

管壳式换热器强化传热技术概述管壳式换热器是一种广泛应用于化工、石油、能源等领域的传热设备。

在传统的管壳式换热器中，传热效率往往受到传热面积、换热系数、导热系数等因素的限制。

为了提高传热效率，强化传热技术应运而生。

本文将介绍管壳式换热器强化传热技术的基本原理和应用。

管壳式换热器是一种广泛应用于化工、石油、能源等领域的传热设备。

它主要由壳体、传热管束、管板、折流板等组成。

在管壳式换热器中，两种不同的介质通过传热管束进行热量交换。

管束中的传热介质通过热对流和热传导两种方式将热量传递给管壁，管壁再将热量传递给另一种介质，从而实现两种介质之间的热量交换。

强化传热技术的原理主要包括：增加传热面积、提高换热系数、降低导热系数和增大比热容等。

这些因素共同影响着传热效率。

增加传热面积可以通过采用具有高导热系数的材料、增加传热管的数量或改变传热管的形状等方式实现。

提高换热系数可以通过改变流体的流动状态、减小流体的层流底层厚度、增加流体的湍流度等方式实现。

降低导热系数可以通过在管壁涂覆低导热系数的涂层、采用高导热系数的材料等方式实现。

增大比热容可以通过改变流体的流动速度、增加流体的浓度差等方式实现。

强化传热技术在管壳式换热器中的应用广泛，以下举几个例子：（1）蒸发：在蒸发过程中，强化传热技术可以有效地提高加热器的传热效率，减小能耗，降低生产成本。

例如，采用高频扰动技术可以增加液体的湍流度，减小传热膜系数，从而减少蒸发时间，提高蒸发效率。

（2）冷凝：在冷凝过程中，强化传热技术可以促进水蒸气与冷却水之间的热量交换，提高冷凝效率。

例如，采用细小肋片管可以增加传热面积，同时采用螺旋肋片管可以增加流体的扰动程度，减小传热膜系数，从而提高冷凝效率。

（3）受热面积增大：通过改变管束的排列方式或增加管束数量，可以增大管壳式换热器的受热面积。

采用多程管束可以增加壳程受热面积，同时采用小直径管束可以增加程数，从而进一步提高受热面积。

强化传热技术在管壳式换热器中具有广泛的应用前景，它可以有效地提高换热效率、减小能耗、降低生产成本，同时也可以延长设备的使用寿命。

传热测验1．传热的基本方法有传导传热、对流传热和辐射传热。

2．在厚度相同，面积相等的两层平壁稳定导热过程中，已知导热系数λ1>λ2，则各层的导热速率Q1> Q2，温差Δt1 < Δt2 （>、=、<）。

3．为减小热辐射，应选用黑度较小的材料作为热屏。

4．列管式换热器中，若两流体的温度差大于50℃以上就应考虑热膨胀（热补偿）的影响，其补偿方法有补偿圈、浮头补偿、U形管补偿。

5．热传导的基本方程式是Q= λm·A·(T1-T2)/ ；。

6．换热器强化传热的途径有（1）一、扩展传热面积（2）二、增大传热平均温差Δtm（3）三、提高传热系数K。

7．列管换热器中安装折流挡板的目的是加长流程、提高流体的流速。

8、气固分离的目的：净化气体、除去灰尘、回收固体颗粒、保护环境。

9、工业上常用的气—固分离的方法有：沉降法、过滤法、湿法、静电除尘法。

10、常用的气体过滤设备有袋滤器、颗粒层除尘器等。

11、工业上常按分离因素给离心机分类。

α＜3000 称常速离心机；α= 3000-5000 称高速离心机；α＞5000 称超高速离心机12、常用离心分离设备有（1）三足式离心机（2）卧式刮刀卸料离心机13、SGZ1000N——1200N型；（三足式自动下卸料离心机）14、GKF1200-N型（密闭防爆卧式刮刀卸料离心机）15、传导、对流、辐射，就是传热（热传递）的三种基本方式。

16、化工生产中经常见到的对流传热有: 两种；热能由流体传到固体壁面；固体壁面传入周围流体;17、冷热两种流体通过一层间壁进行换热，热量从热流体传至间壁，再从间壁传至冷流体，这种传热过程叫给热传热。

18、在流体流动过程中，靠壁面处会产生一个边界层，叫层流内层。

层流内层的流体处于滞流（层流）状态。

19、给热过程包括边界层外的对流和边界层内以及固体壁的导热两种方式的传热过程。

20、给热（对流传热）过程的阻力主要在层流内层。

提高换热器的传热系数的方法总结1、改变流体的流动情况（1）增加流速增加流速可改变流动状态，并提高湍流脉动程度。

如管壳式热交换器中管程、壳程的分程就是加大流速、增加流程长度和扰动的措施之一。

管内湍流时增加流速对增强传热能收到较显著的效果，但又须注意增加流速也受到各种因素的限制。

因此，在设计或实际使用中应权衡各种因素，选择最佳流速或为流体输送机械所允许的流速。

（2）射流冲击这是使流体通过圆形或狭缝形喷嘴直接喷射到固体表面进行冷却或加热的方法。

由于流体直接冲击固体壁面，流程短而边界层薄，所以对流换热系数显著增大。

在用液体射流冲击加热面时，如热流密度已高至足以产生沸腾，则就成为两相射流冲击换热。

实验表明，此时不但可提高沸腾换热系数，而且可使烧毁点推迟，显著提高临界热流值。

（3）加插入物在管内安放或管外套装如金属丝、金属螺旋圈环、盘状构件、麻花铁、翼形物等多种型式的插入物，可增强扰动、破坏流动边界层而使传热增加。

如用薄金属条片扭转而成的麻花铁扰流子插入管内后，使流体形成一股强烈的旋转流而增强换热。

插入时若能紧密接触管壁，则尚能起到翅片的作用，扩展传热面。

大量的试验研究表明，加插入物对受迫对流换热等有显著增强的作用，但也会产生流动阻力增加、通道易堵塞与结垢等运行上的问题。

在使用插入物时应沿管道的全段流程，以保持全流程上的强化传热。

而且，在选择插入物的形式时，应考虑到在小阻力下增强传热。

（4）加旋转流动装置旋转流动的离心力作用将使流体产生二次环流，因而会强化传热。

上述的某些插入物，如麻花铁、金属螺旋丝等，除其本身特点外，也都能产生旋转流动。

在此要提及的是一些专门产生旋转流动的元件或装置。

例如，涡流发生器，它能使流体在一定压力下以切线方向进入管内作剧烈的旋转运动。

研究表明，涡旋强化传热的程度与雷诺数有关。

在一定的热源温度下，对流换热系数随着Re值而增加，且将达到某一个最大值然后下降。

在应用上应控制实际的Re值接近于使对流换热系数达最大时的临界Re值，以充分利用旋转流动的效果。