强化传热技术范文（精选7篇）
强化传热技术 第1篇
强化传热技术通常分为有源强化和无源强化两大类[1]。有源强化传热需要消耗外部能量,如采用电场、磁场、光照、搅拌、喷射等手段。无源强化传热则不需要消耗外部能量,是换热器强化传热主要采用的方法,如传热管的表面处理、传热管的形状变化、管内加入插入物,改变支撑等。
1 有源强化
有源强化是采用电场、磁场、光照射、搅拌、喷射等手段来提高换热器的传热效果,是以牺牲外部能量来获得较好传热性能的强化传热手段。
1.1 EHD (Electro—hydrodynamics)强化传热[2]
EHD (Electro—hydrodynamics)电流体动力学强化传热是在流体中施加高压静电场,利用电场、流场和温度场的相互耦合作用,而达到强化传热的一种有源强化方法。早在1916年,英国学者就发现在流体中施加电场能够强化传热,但此后40多年,该项技术并未受到注意和重视。近年来,由于余热利用、高效暖通空调系统、海洋能和地热能开发中对小温差传热的要求,加上EHD强化传热具有效果显著、功耗低、易于控制表面热流等一系列优点,其研究逐渐受到重视。对EHD强化传热的研究主要从以下3个方面进行:(1)试验确定换热系数与外加电场的关系;(2)从流体在电场中的受力角度进行理论分析;(3)应用数值模拟对EHD强化传热进行研究。目前EHD强化传热研究处于以实验积累数据为主的研究阶段。研究认为,外加高压电场可以引起加热表面附近介电流体的附加运动从而影响介电流体的传热,换热器传热系统较易进入混沌,从而强化了传热。
1.2 超声波抗垢强化传热[3]
超声波在液体媒质中传播时会产生机械振动作用,空化作用和热作用。这些作用同时产生效应,会减弱成垢物质的分子之间结合力以及析出垢粒与管道间的附着力,破坏垢物生成和板结的条件,阻止垢物的生长,从而实现防垢的功能。同时也可导致已形成的垢物脱落,形成松散而不易板结的沉淀物,达到除垢作用。因而可使换热器表面污垢热阻减小,换热器总传热系数提高,起到了强化传热和除垢的作用。超声波抗垢装置主要由超声波发生器、传声系统和换热器组成。中国蓝星化学清洗总公司研究得出:超声波有明显的阻垢功效,施加20kHz的声波可使钙离子和碳酸根离子的结合过程变得很缓慢,阻垢率达到85%以上。
1.3 流体诱导振动强化传热[4]
流体诱导振动在管壳式换热器使用过程中极为普遍,且破坏性很大。以往只能够防止它,没能够被利用。近年来,随着换热器技术的发展,一些科研单位对换热器流体诱导振动进行了深入的研究,提出了很多有价值的方法和理论。换热器长时间运行后,在换热管壁上会附着很多污垢,传热管的振动能够有效地去除污垢,提高传热效率。在传热管内插入圆珠圆管等内件可以使流体出现卡门涡街现象,诱导流体产生弹性振动,增加了流体紊流程度,破坏了壁面附近的层流层,限制了污垢在壁面沉积;圆珠不断的敲击管壁,使污垢自行脱落,从而达到清除污垢、提高传热系数、强化传热的目的。
1.4 扰流装置[5]
为了提高管内层流状态下的换热系数,可在管内插入金属网、扭曲带、静态混合器、环、盘等元件,使流体产生径向流动,加强流体的混台,因而可使换热系数提高。如图1,旋流片被插入管内时,可使流体边界层减薄,加强了流体的混台,使管内流体速度场和温度场分布均匀,因而达到了强化传热的目的。
2 无源强换
无源强化,即在不消耗外功的情况下主要通过改变换热器形状,结构来实现强化传热的效果,是工业强化传热的主要方法。由换热器传热基本关系式
可知传热量Q与传热面积A成正比,与冷热流体间的平均温度差(推动力)△tm成正比。式(1)又可表示为
式中,R=1/k,称为传热总热阻。(2)式表明,单位传热面积的传热速率与传热推动力成正比,与热阻成反比。因此,提高换热器的传热能力的途径是提高传热推动力或降低传热总热阻。要使传热量Q增大,无论是增加传热面积A、平均温度差Δtm,还是降低热阻R都能收到一定的效果,工艺设计和生产实践中大多是从这些方面进行传热过程强化的。
2.1 改变换热器结构强化传热
改变换热器结构,增加传热面积或采用特殊结构,可以提高换热器的传热量。但传热面积过大则投入成本增加,因而不能单靠增大换热器的尺寸来强化传热,而是要从设备的结构入手,提高单位体积的传热面积。工业上往往通过改进传热面的结构来实现。下面介绍几种高效能传热面,它不仅使传热面积增大,而且还使流体的流动性能得到相应的改善。
2.1.1 翅化面
用翅片来扩大传热面积和促进流体的紊流度是强化传热的有效方法。翅化面的种类和形式很多,用材广泛,制造工艺多样,翅片管式换热器、板翅式换热器等均属此类。图2为内展翅片管,此结构使得管内能承受较大压力,且体积小、占地面积小,传热面积大,因而提高了传热效率,强化了传热且节水节能。
2.1.2 异形表面
用轧制、冲压、打扁或爆炸成型等方法将传热面制造成各种凹凸形、波纹型、扁平状等,使流道截面的形状和大小均发生变化。这不仅使传热表面有所增加,还使流体在流道中的流动状态不断改变,增加扰动,减少热边界层厚度,从而使传热得到强化。如图2所示,在层流边界层中,除依靠流体分子运动外,主要依靠导热传递热量。而在紊流边界层中,由于紊流支层中还存在涡流扰动的对流方式,因此只有层流底层中是以导热方式来传递热量。通常紊流边界层中的层流底层较层流边界层薄。因此紊流流动中的热边界层也比层流流动的热边界层薄,这就使紊流时的换热强度增大。图3纵槽管和图5波纹管即为此种强化传热方法。
2.1.3 多孔物质结构
将传热表面用烧结、机加工或其他方法处理成如图6的结构。使传热面表面存在微小间隙,以实现扩大传热面积的目的。表面烧结法制成的多孔层厚度一般为0.25～1mm,空隙率为50%～65%。这种多孔表面,不仅增大了传热面积,而且还改善了换热状况。当表面液体进入多孔间隙时,间隙中容易产生汽化核心,气泡随着间隙排除,此强化传热方法在有相变的传热过程中特别有效。
2.1.4 采用较小的管径
采用较小的管径,可减小换热器的尺寸,提高传热系数。气体在管外流动时,传热系数的提高最为显著。但此强化传热措施也相应的带来了一些矛盾,如增大了流动阻力,设备使用维修费用增加,制造工艺复杂及换热面布置上的空难等。因此,应根据实际需要来选择合适的强化传热措施。
2.2 增大平均温度差
对数平均温差计算式如下:
由传热方程式(1)可知增大传热温差Δtm,传热量也相应增加,可起到强化传热的目的。由(2)式可知,增大传热温差的方法有两种。一是提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度;二是通过传热面的布置来提高传热温差。当冷热流体顺流流动时,其平均温差最小,当冷热流体逆流流动时,其平均温差最大。平均温度差的大小主要取决于两流体的温度条件和两流体在换热器中的流动型式。一般来说,物料的温度由生产工艺来决定,不能随意变动,而加热介质或冷却介质的温度由于所选介质不同,可以有很大的差异。但需指出的是,提高介质的温度必须考虑到技术上的可行性和经济上的合理性。另外,采用逆流操作或增加管壳式换热器的壳程数,均可得到较大的平均温度差。
2.3 增大总传热系数
增大总传热系数,可以提高换热器的传热效率。总传热系数的计算公式为
由此可见,要提高值,就必须减少各项热阻。但因各项热阻所占比例不同,故应设法减少对值影响较大的热阻。一般来说,在金属材料换热器中,金属材料壁面较薄且导热系数高,不会成为主要热阻;污垢热阻是一个可变因素,在换热器刚投入使用时,污垢热阻很小,不会成为主要矛盾,但随着使用时间的加长,污垢逐渐增加,便可成为障碍传热的主要因素;对流传热热阻经常是传热过程的主要矛盾,也应是着重研究的内容。提高流体的速度,使流体的紊流程度加剧,可减少传热边界层中层流底层的厚度,提高了对流传热系数,亦即减少了对流传热的热阻。例如在管壳式换热器中增加管程数和壳程的挡板数,可分别提高管程和壳程的流速。
3 其他强化传热方法
3.1 纳米材料强化传热[6]
纳米流体跟纯液体相比,由于粒子与粒子、粒子与液体、粒子与壁面间的相互作用及碰撞,流动层流边界层被破坏,传热热阻减小,流动紊流强度得到增强,使得传热增加。在相同粒子体积含量下,纳米粒子的表面积和热容量远大于毫米或微米级的粒子,因此纳米流体的导热系数也相应的大很多,从而降低循环泵的能量消耗,降低运行成本,以及减小热交换器的体积。由于纳米材料的小尺寸效应,其行为接近于液体分子,纳米粒子强烈的布朗运动有利于其保持稳定悬浮而不沉淀,从而有效地避免了毫米或微米级粒子易产生的磨损或堵塞现象。同时,可对悬浮液流动起到润滑的作用。换热器中如果利用纳米介质换热,传热效率将大大提高,与之相匹配的各种换热器将相继开发出来,并可以节约能源,降低成本。
3.2 脉动强化传热[7]
气流中的脉动会使热传递增强,一般来说,当脉动程度足够强时,气流产生了逆向的流动,起到了强化传热的目的。脉动对热传递的影响主要在于边界层附近流动状态的改变。人们在研究脉动强化传热时认为以下原因强化传热的主要因素。(1)既然脉动气流在较低的平均雷诺数下也能变为紊流状态,那么脉动将使这个流动跃进为彻底的紊流流动。(2)脉动造成一个声流,这就在接近壁面的地方造成一股轴向回流漩涡型的二次流动。(3)脉动剥离了边界层,这就从传热表面清除了一层绝热层。(4)因为脉动增加了边界层内和靠近边界层附近区域的剪切应力,从而产生了较高的紊流强度。(5)在逆向流动这一段时间里,提高了传热速率。
3.3 场协同原理强化传热[8]
换热器的场协同原理是通过改变冷热流体的流动方式来提高换热性能的,即冷热流体的温度越均匀时,冷热流体温度场的协同越好,则换热的效能就会越高,这为换热器结构设计提供了理论依据。是一种新的传热强化技术。可在主流体中加入另种组分的物质并控制浓度梯度与速度的方向来强化对流换热,若加入的物质是某种电解质或磁介质同时通过施加外电场或外磁场,控制浓度梯度和压力梯度的方向可以起到强化传热的作用,以此可指导发展一些强化对流换热的新方法,开发新的强化换热设备。
4 结论
传统的强化传热技术已被广泛应用于化工、轻工、石油、电力冶金、机械、食品等工业领域,且都有效地提高了换热量,起到了强化传热和节约能源的目的。但新的强化传热理论如电场强化、纳米材料强化、场协同强化、脉动强化等还有待于深入研究、完善和应用于工业实际。
参考文献
[1]杨世铭,陶文铨.传热学.高等教育出版社.
[2]黄岗,罗小平,高贵良.换热器EHD强化空气对流传热及其动力学分析.石油机械,2008,36(7).
[3]金贞花,马重芳.超声波抗垢强化传热技术的研究进展.应用声学, 2006,25(1).
[4]刘建清,田茂诚.流体诱导振动强化传热的试验研究.华中理工大学学报,1998(11).
[5]洪蒙纳,邓先和,黄阔,李志武.缩放管内间隔插入旋流片的复合强化传热术.华南理工大学学报(自然科学版),2008,36(3).
[6]李洪亮,许艳芳.纳米流体及其强化传热性能研究进展.石油机械, 2008,36(6).
[7]路慧霞,马晓建,等.脉动流动强化传热的研究进展.节能技术, 2008(2).
浅议换热器强化传热技术 第2篇
随着能源危机的日益加深, 如何高效利用能源成了社会各界广泛关注的焦点。在工业生产领域, 换热器作为一种关键设备, 在传递能量方面发挥着重要作用, 其传热性能的高低对能源利用效率产生直接且明显的影响。所谓强化传热技术指的是, 提升和保证换热器综合效率的一系列措施的集合。二十世纪七十年代初, 能源危机几乎波及全球各国, 这在很大程度上推动了强化传热技术的进一步发展[1]。若想达成节能降耗的目的, 则需要针对传热环节所涉及的强化问题进行深入研究, 并在此基础上设计出适宜的强化传热结构, 这也已然成为现代工业节能工作中亟需解决的问题之一。
2 主动式强化传热技术
2.1 机械搅拌
机械搅拌主要有三种形式, 一是搅动流体, 二是旋转传热表面, 三是表面刮削[2]。拥有可旋转性能换热器管道的设备现如今已经被广泛应用于商业领域。表面刮削常见于化学生产领域黏性流体的批量式处理, 如刮面式换热器, 目前已经在食品工业领域得以普及应用, 并取得了良好的应用效果。
2.2 表面振动
不管是高频率振动, 又或者是低频率振动, 大多情况下都用来增强单相流体传热。其作用原理是, 通过振动以实现对流动扰动的强化, 最终达成强化传热的目的。尽管振动能够强化传热, 然而振动需要大量外界能量的支撑, 因而显得得不偿失。有鉴于此, 相关学者研究指出, 可通过流体诱导振动, 进而达成强化传热的目的, 利用水流自身特性诱导传热元件发生振动, 能够节省大量能量, 不仅如此, 还可以降低污垢热阻, 获得复合式强化传热效果。
2.3 静电场
可借助一些方法使静电场施加作用于介电流体。总体而言, 静电场能够让传热表面处的流体形成比较充分的主体混合, 最终达成强化传热的目的。静电场还能够与磁场结合应用, 产生强制对流环境或拥有该功能的电磁泵。对于静止流体, 施加相应强度静电场所产生的电晕风能可以在相应条件下完成对单相流体传热的有效强化。
3 被动式强化传热技术
3.1 表面处理
常见的表面处理形式有两种:一种是对表面粗糙度进行小幅度调整, 另一种是设置表面涂层 (可以是连续的, 也可以是不连续的) 。另外, 还可以借助以烧结为代表的一系列传热表面处理方式, 形成多孔状或者锯齿状表面, 常见的如开槽、碾压以及多孔涂层等。通过该方式得到的表面粗糙度无法满足单相流体传热的实际需要, 因而大多用于以下两种传热的强化, 一是强化沸腾传热, 二是强化冷凝传热[3]。
3.2 扰流装置
将扰流装置安装在流道中的适宜位置, 可实现对近壁区流体流动的有效调整, 以一种间接方式强化传热表面所拥有的能量传输能力, 常见于强制对流。对于管内插入物, 相当一部分是此类扰流装置, 不仅有金属栅网, 还有静态混合器, 除此之外, 还有不同类型的环、盘以及球等元件。
3.3 漩涡流装置
包括若干种不同类型的几何布置, 常见的如内置式漩涡发生器等。这一类装置能够延长流道长度, 形成旋转流动, 大幅提升流体发生径向混合的程度, 使流体速度和温度各自的分布拥有更为理想的均匀性, 从而达成强化传热的目的, 在强化对层流换热方面表现出了相当理想的效果。
4 换热器强化传热技术的发展方向
4.1 管程
强化传热技术正处于迅猛发展之中, 异形强化传热管引起了业界关注, 其研发工作现正在如火如荼地进行。传统异形管表现出诸多不足, 如加工难度系数大、生产成本大、需要借助复杂的加工装置。因此, 有必要优化高效换热管的研发技术, 或者设计出更为理想的新型高效换热管, 在降低其结构复杂程度的同时, 削减其制造、使用成本, 这是普及此类换热管的一个基本前提, 也是换热器的未来发展方向之一。
4.2 纳米传热介质
相关研究指出, 纳米流体拥有非常理想的传热功能, 以不足5%的体积比于水中掺加CUO纳米粒子制作而成的纳米流体, 其导热系数竟然比水增加了60%左右[4]。对于纳米流体, 其导热系数取决于四大因素:因素一, 非限域传递的影响;因素二, 布朗运动的影响;因素三, 液膜层的影响;因素四, 颗粒聚集的影响。
换热器内若使用纳米介质进行换热, 那么将会明显提升传热效率, 正因如此, 与之有关的不同类型的换热器将不断问世, 并在节能降耗、削减成本方面发挥积极作用。
5 结语
在能源危机日益加剧的今天, 应继续加大对换热器强化传热技术的研究, 完善既有的强化传热技术, 同时开发新的强化传热技术, 从而帮助企业获得更为理想的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]刘雪梅, 崔永志, 陈军.管壳式换热器的强化传热技术及展望[J].纺织机械, 2012, 01:16-20.
[2]齐洪洋, 高磊, 张莹莹, 周辰琳.管壳式换热器强化传热技术概述[J].压力容器, 2012, 07:73-78.
[3]林宗虎.管式换热器中的单相流体强化传热技术[J].自然杂志, 2013, 05:313-319.
管壳式换热器强化传热技术概述 第3篇
关键词：管壳式换热器,技术概述,强化传热,发展趋势
管壳式换热器 (shell and tube heat exchanger) 又被称之为“列管式换热器”, 是一种通过封闭在壳体中管束壁面进行传热的间壁式换热器, 自出现以来广泛第应用在工业生产体系中。虽然管壳式换热器在结构紧凑型、换热效率、金属材料消耗方面与新型技术制造的换热器相比存在劣势, 但这并不影响管壳式换热器在换热设备体系中的主体地位, 其适应性强、可靠度高、结构坚固、选材范围大等优势, 很好的弥补了技术层面的不足。同时, 管壳式换热器已经具有了相当成熟的理论体系和应用方案, 俨然成为一项重要的传热学研究重点领域。
1 管壳式换热器强化传热技术的必要性
近年来, 伴随着我国工业体系的不断完善和人民生活水平的提高, 换热设备的应用领域也在增加, 相应的, 如何解决能源与经济发展的矛盾, 就成了一个重要问题。“十二五”期间, 我国明确提出了节能减排的可持续性经济发展战略, 除了积极开发新型绿色能源应用之外, 更重要的是减少以煤炭为基础的能源利用形势, 加快社会产业结构调整, 逐步淘汰落后产能, 促使传统产业的升级改造;而换热器技术强化改进是一个重要的发展方向。
就目前来说, 我国的工业行业中的换热器设备以管壳式换热器为主要形式, 约占换热器设备总量比例的70%, 而这其中弓形折流板换热器的数量达到70%以上, 在传统产业节能领域发挥着巨大的作用。但随着全社会对节能减排、低碳经济要求的提高, 传统管壳式换热器的弊端也逐渐凸显, 这其中传热效率低就是一个严重的技术短板;理论上说, 换热率越高, 对能源的节约量也就越大, 对能源节约的效果也就越明显。因此, 针对管壳式换热器强化传热技术的研究十分必要。
2 强化传热技术理论及应用
传热理论是热转换设备中主要的研究内容, 结合管壳式换热器来说, 由于管内和管外流体温度的差异, 在壳体、管束的温度也不同。当温度差异过大的时候, 换热器内部就会产生较大的热应力。但由于热工设备的工况无法确定, 需要增加管道内外的传热系数, 并促使其获得更高的传热效率, 结合管壳式换热器构造来说, 强化传热技术理论也并不是针对某一方面展开的, 它包括了管程、壳程和管束三个部分。
2.1 管程强化传热
针对管程强化传热技术的研究主要集中在传热管方面, 目前也是最具有前景的研究课题。总体来说, 管程强化传热技术的研究可以划分为两个方面, 分别是改变换热管设计和管内插物。其中, 改变换热管设计的方式, 如改变换热管形状, 或加大管程流体的湍流程度、传热面积, 具体的设计对象包括波纹管、伸缩管、翅片管等。而另一种类型包括管内插物的设计, 及通过管内绕丝花环、纽带等, 实现管程的湍流程度;相比较来说, 在管内插物的形式执行简单、效果较好、投资较少, 是目前主要应用的管程强化传热形式。
2.2 壳程强化传热
在管壳式传热器体系中, 壳程介质以液体形式存在, 传统的弓形折流板换热器所占比例较大, 是强化传热研究的重点。由于弓形折流板换热器内部的流体阻力和振动较为明显, 因此导致能量损失较多。针对这一情况来说, 在一定程度上提高弓形折流板换热器强化传热, 对节约能源具有重要的作用。
壳程强化传热技术应用的方式包括花隔板、螺旋折流板、折流杆等形式, 就目前来说, 螺旋折流板技术应用较为广泛, 且取得了较好的成果。这一技术出现在上世纪80年代, 国内介入较早, 在构造上利用四分之一椭圆扇形平板进行首尾相连, 从而实现一个直角边垂直于轴线、圆心位于轴线上的突出结构。在总体构造上呈现出螺旋形, 促使液体进入之后也以螺旋形方式流动, 可以很好的减少壳程压力损失。
2.3 管束强化传热
严格意义上说, 管束强化传热属于整体传热技术范畴, 具有加工简单、便于实现的优势, 其中应用较多的两种技术类型包括交错扁管和扭曲扁管。
其一, 交错扁管。交错扁管是近年来出现的一种新型技术, 在市场上的覆盖率并不高, 在应用层面来说, 与普通的管壳式换热器结构保持一致, 但由于内部没有折流板, 不会出现介质流动死区, 因此大大节约了生产成本。此外, 由于轴线方向上的惯性会促使管程流体和壳程流体质检的波浪形变化, 可以获得较强的搅动力, 由此强化了传热效果。
其二, 扭曲扁管。扭曲扁管类型的换热器出现较早, 上世纪80年代进入我国之后, 成为提高强化传热的主要技术形式。其优势主要的体积小、节约材料, 同时在管程和壳程内形成的介质螺旋流形式, 可以防止污垢堆积。
参考文献
[1]刘雪梅, 崔永志, 陈军.管壳式换热器的强化传热技术及展望[J].纺织机械, 2012, 01:16~20.
[2]齐洪洋, 高磊, 张莹莹, 周辰琳.管壳式换热器强化传热技术概述[J].压力容器, 2012, 07:73~78.
[3]王丰华.管壳式换热器强化传热技术进展[J].硫酸工业, 2009, 02:13~17.
[4]张轮亭, 邱丽灿, 王臣.管壳式换热器强化传热进展[J].当代化工, 2014, 11:2322~2324+2327.
强化传热技术 第4篇
据了解, 乙烯裂解炉是石油化工龙头装置的龙头设备, 主要用于对乙烯原料进行加热以实现裂解反应。因此, 乙烯裂解炉的传热效率对节约能源有至关重要的作用。以往生产过程中因裂解炉炉管管壁易结焦不仅影响到炉子的传热效率, 而且还需要定期停下来进行清焦处理, 缩短裂解炉运转周期。
据悉, 乙烯裂解炉扭曲片管强化传热技术就是将扭曲片管加在裂解炉辐射段炉管上的一种管内带有扭曲片管的精密整铸管, 它可以强迫裂解炉管内的流体从原来的柱塞流改变成旋转流, 对裂解炉炉管管壁有一个强烈的横向冲刷作用, 从而减薄炉管内的边界滞留层, 减缓辐射段炉管内壁的结焦趋势, 达到强化传热、延长裂解炉运转周期的目的。
为此, 《裂解炉管强化传热整炉工业应用试验》被列为中石化级科研项目。该项目从2004年11月到2005年8月率先在燕山石化乙烯装置新区BA-1104炉上进行了三个周期的应用试验。试验结果显示, 加装了扭曲片管后的裂解炉在不同原料、不同负荷下均大幅延长了运行周期, 提高了生产能力, 节能降耗方面也成效明显。在石脑油常规裂解条件下, 更是使得BA-1104辐射段炉管管壁温度同比下降20℃以上, 运行周期从50天延长到105天, 运行周期延长了110%。
强化传热技术 第5篇
关键词：壳管式吸附床,重力式热管吸附床,传热热阻
吸附床在吸附式制冷系统中相当于压缩式制冷系统的“心脏”——压缩机的作用,其性能优劣直接影响到吸附制冷系统的制冷能力。目前,国内外对吸附床的研究集中于传热性能方面,主要是吸附床结构的优化和新型吸附床的研发。
1 两种吸附床的结构分析
1.1 壳管式吸附床
壳管式吸附床的结构及单元管结构示意图如图1和图2所示,壳管式吸附床与壳管式换热器相似,外壳内装有单元管有序排列成的管组。各个单元管之间换热流体从壳侧流过,吸附剂填充在单元管内,单元管中间有一传质通道,铝翅片填充在传质通道和单元管外径之间,在管子中间均匀填充吸附剂Ca Cl2和NH3的络合物,分别以低压蒸汽和冷却水为热源和冷源。壳管式吸附床的结构参数如表1所示[1]。
1.2 重力式热管吸附床
重力式热管吸附床结构图和单元管结构示意图见图3和图4,中间介质在吸附床的下端吸收烟气传递的热量后蒸发,蒸汽携带汽化潜热向上流动,经过绝热段后,在凝结段的气液界面上冷凝变成液体,冷凝热通过管壳传给冷源后依靠重力作用回流工作液体。单元管正中心是热管,两边180°均匀分布2个传质通道,管内其他空间填充吸附剂,铝翅片填充在吸附剂填充的空间内。重力式热管吸附床的结构参数如表2所示[2,3]。
2 两种吸附床单元管的传热热阻分析
2.1 壳管式吸附床传热热阻分析
单元管是壳管式吸附床中最基本的结构,其换热效果直接影响到系统的制冷性能。在换热过程中,单元管的传热过程示意图如图5所示[4]。
(1)对流换热热阻。对流换热系数为:
传热热阻为:
式(1)(2)中,Nu为努塞尔数;λ为烟气的导热系数,W/(m·K);dp为当量直径,mm;A0为单元管的外表面积,mm2。
本文中,采用冷却水对吸附床进行冷却,冷却水的对流换热系数计算与加热过程相同[5,6]。
(2)单元管的导热热阻。单元管的材料选择为不锈钢S304,导热热阻为:
(3)铝翅片与吸附剂之间的传热热阻。铝翅片与吸附剂换热系数hi的确定采用已有研究[10]中的计算方法,可得铝翅片与吸附剂的导热系数hi=73.94W/(m2·K)[7]。
添加铝翅片与未加是的面积比为:
铝翅片与吸附剂的传热热阻为:
(4)吸附剂的导热热阻为:
吸附床在加热过程中,从热源低压蒸汽到单元管内吸附剂的各部分传热情况如表3所示。吸附床在冷却过程中,从冷源水到单元管内吸附剂的各部分传热情况如表4所示。
由此可以得出,在壳管式吸附床中,外壁面的对流换热以及内壁面与吸附剂接触处的传热热阻是最大的,因此,吸附剂解吸或吸附过程中影响传热最重要的因素就是吸附床的内外壁面的对流换热[8]。
2.2 重力式热管吸附床传热热阻分析
重力式热管吸附床的解吸和吸附过程将热、冷量传给热管,高效热管将热、冷量迅速由蒸发段传向冷凝段,在冷凝段将热、冷量释放出来传给吸附床,所以传热单元管总的换热热阻为:R=R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7。
(1)冷凝相变热阻R1:
式(7)中,Rv为工作介质的气体常数,J/(kg·K);l2为热管冷凝段的长度,m;Tv为工作介质的蒸汽温度,K;Pv为工作介质的蒸汽压力,Pa;hfg为工作介质的汽化潜热,J/kg;φ为热管直径,m。
(2)热管壁面导热可看成是单层圆筒壁导热,其热阻为R2:
式(8)中,λ2为热管管壁解吸温度下的导热系数,W/(m·K);吸附剂在125℃时开始解吸,热管蒸汽的温度约为150℃,导热系数按36.4W/(m·K)计算;φ´为热管的内径,m。
(3)翅片与吸附剂之间的换热热阻R3。铝翅片与吸附剂的传热热阻为:
(4)吸附剂的导热热阻R4。吸附剂平铺在翅片上,1g分子纯Ca Cl2粉末能吸附8g分子氨气,在正常解吸温度下(150℃以下)解吸出6g分子氨气,有2g分子氨不能解析,重新进入吸附状态时,最多能吸附6g分子氨气[9]。
所以,在解吸和吸附的过程中,氯化钙都是以其络合物的状态存在,根据实验数据,络合物导热系数为0.3W/(m·K),则吸附剂的导热热阻R4为:
(5)蒸发段的换热热阻R5:
式(11)中,h"为烟气与管壁综合换热系数,W/(m2·K);φ为烟气与管壁总的换热量,W;l1为热管蒸发段的长度,m。
(6)蒸发壁面导热热阻R6。热管具有一定的厚度,设内径为φ1,蒸发壁面导热热阻为:
式(12)中,λ1为热管壁在该温度下的导热系数,W/(m·K)。
(7)蒸发相变热阻R7。烟气加热,将热量从热管的外部传入热管内部,处于热管加热段的饱和液体汽化。与热管冷凝段相变热阻公式一样,蒸发相变热阻R7由下式计算:
式(13)中,l1为热管蒸发段的长度,m。
重力式热管吸附床吸附单元管各热阻所占的比例如表5所示。
3 两种吸附床强化传热措施
3.1 减小换热流体与外表面的对流换热热阻
根据上述分析,换热流体与吸附床外壁面的传热热阻在总传热热阻上占据很大的部分,因此为了提高总体传热系数,关键在于减少此处的传热热阻[10]。
3.2 减小单元管管壁的导热热阻
3种吸附床的导热热阻一般很小,几乎不影响单元管的传热性能,可以不予考虑。
3.3 减小内壁面与吸附剂的传热热阻
内壁面与吸附剂之间的传热热阻主要指的是接触热阻,它是吸附床传热过程中最重要的热阻,所占比例最大。以下方法可有效减小接触热阻:(1)增加接触密实性,通过光滑内壁面或者增大吸附剂对内壁面的压力,来尽量减小吸附剂与内壁面的接触空隙,减小接触热阻;(2)将吸附剂的水溶液灌入单元管内,然后结晶形成吸附剂晶体,这不仅增大吸附剂与单元管内壁面的接触面积,还可以通过结晶形成一种化学力,增强单元管内壁面与吸附剂的传热;(3)使单元管内铝翅片的轴向高度减小,使翅片更加密集,增大吸附剂与单元管内壁面的接触面积,增强传热效果。
3.4 减小吸附剂内部的传热热阻
吸附剂氯化钙为比表面积较大的多孔介质,由于孔隙率的存在使其导热系数很小,而且吸附剂的填充厚度也比较大。所以,传热介质与吸附剂颗粒之间的传热热阻相对很小。但是,加入内置铝翅片后,吸附剂的轴向传热效果可以得到明显改善,但在单元管的轴向还是存在较大的传热热阻。为了减小吸附剂轴向传热温差,可以在吸附剂中加入铝粉、石墨粉等导热性能良好的固体颗粒,或者对吸附剂进行固化处理,以改变吸附剂的颗粒分布情况等。
3.5 增大冷热源与管道之间的扰动来改善换热
在重力热管式吸附床中,烟气与热管外壁之间的对流换热系数也比较低。一方面,可以通过在烟气管道内加挡板的方式,增加烟气与管道之间的扰动来提高换热系数;另一方面,可以在热管管壁的外表面加翅片来提高其接触面积,以减少对流换热热阻。
管内层流强化传热的数值模拟 第6篇
扭带作为管内插入物是一种常用的强化传热方法[1],其对层流的强化传热效果一般优于湍流,但提高传热性能的同时阻力损失过大,综合性能差,而管内插入旋流片(均匀间置的短截扭带)[1]则以相对较小的阻力损失发挥更大的传热综合性能,且扭率越小,强化传热综合性能越好。缩放管作为另外一种行之有效的强化传热方法[2],常用于破坏边界层的发展,降低近壁区的热阻,但其难以进一步强化主流区的传热,缩放管与旋流片的复合使用则可以避免单一传热方式的不足,使管壁与核心区的热阻分布均匀,提高两区的协同程度,从而更好的提高传热性能。
本文从高粘度流体强化传热采用流体跨区置换的工业背景出发,对比光管,以高粘度流体85%甘油为工质,通过数值模拟重点探讨了缩放管和内插旋流片的缩放管管内的传热与流阻特性。本文可为置换类强化传热方法在高粘度流体强化传热的工业应用方面提供有效的参考依据和理论支持。
1计算模型和数值计算方法
1.1计算模型
根据文献[4],急扩慢缩型缩放管比慢扩急缩型缩放管具有更好的强化传热性能,所以本模拟选用急扩慢缩型缩放管,其扩张段长度为5 mm,收缩段长度为8.4 mm,肋高为0.8 mm,考虑小扭率有更好的传热性能,缩放管(sfg)内插所用旋流片(xlp)选用180(旋转角度)-2.0(扭率y),270-2.0,两组类型的旋流片,此处扭率的定义式为
1.2边界条件及数值计算方法
本文模拟采用Fluent商用软件进行计算,流体流动为不可压稳态流,不考虑旋流片引起的传热面积增加,满足质量、动量、能量守恒,其通用控制方程为
diν(ρUΦ)-diν(ΓΦgradΦ)=0
式中:ρ——密度
U——速度矢量
Φ——通用变量
ΓΦ——广义扩散系数
进出口边界分别为速度进口与压力出口,管壁为无滑移恒壁温边界(壁温为373.15 K),旋流片为无滑移绝热边界。速度与压力耦合采用SIMPLEC算法,压力离散为Standard,其它变量方程均采用二阶迎风格式离散,整个区域连续性方程的残差控制在10-4以下,其它的物理量的残差控制在10-6以下。层流采用Laminar模型,网格划分采用分体网格和适体坐标(局部网格示意图见图2),对近壁处进行网格加密。
1.3网格独立性检查
为了得到网格独立的解,采用不同节点数的网格进行了初步计算,图3给出了缩放管内插4个270-2.0旋流片时(u = 0.5 m/s)的考核情况,综合考虑计算精度和硬件配置的实际情况,本文采用的网格数如下:光滑管的为436240,缩放管的为557700,sfg-180-2.0-4xlp的为604322, sfg-270-2.0-4xlp的为742495,sfg-180-2.0-6xlp的为716730。
2物性参数
本文研究工质85%甘油的密度、比热容、导热系数随温度的变化不大,故定为常数,而粘度(μ)随温度(T)变化的程度比较大,其粘度随温度的升高而降低,为了修正物性对传热性能的影响,根据文献[5]的物性数据,本文采用多项式[6]拟合85%甘油粘度随温度的变化,为保证精度,采用Fluent自定义函数(User difned function)计算,其粘度随温度变化的拟合公式如下:
μ=61928.11613-1302.5672973×T+11.735916173×T2-0.058709260769×T3+0.00017610128832×T4-3.1670814368×107×T5+3.1619231942×10-10×T6-1.3618115721×10-13×T7
3模拟结果分析
3.1传热与流阻特性
图4为各种管型的努赛尔数与阻力系数随雷诺数的变化,图4中(1)式为光滑管粘度修正的阻力系数(f)公式[1],(2)式为光滑管豪斯努塞尔数(Nu)公式[3]:
式中:f——阻力系数
Nu——努塞尔数
μb——流体定性温度粘度
μw——壁温粘度
d——当量直径
u——流速
λ——导热系数
L——管长
从图4中可以看出,光滑管模拟值与经验值吻合良好,可见本文所采用数值方法与模型是合理的。所有管型的努赛尔数随着雷诺数的增加而增加,阻力系数随着雷诺数的增加而减小。其中,缩放管空管的努赛尔数大于光滑管,而所有缩放管内插旋流片的努赛尔数大于缩放管空管与光滑管,这表明,缩放管内插旋流片发挥了复合强化传热的优势。但同时,缩放管内插旋流片相对缩放管空管与光滑管亦有更大的阻力系数,表明其阻力损失更大。另外,缩放管内插6个旋流片相对缩放管内插4个旋流片拥有更好的传热效果,缩放管内插180°旋流片跟缩放管内插270°旋流片的传热速率基本相当。
图5为各种管型的传热综合性能随雷诺数的变化,强化传热综合性能采用Webb等[7]提出的传热综合性能评价公式:
式中:Nu与f分别为一种强化传热管的传热与流阻性能;Nus与fs分别表示光管的传热与流阻性能,当η>1表示被评价管型的综合性能得到改善;反之,则没有得到改善。从图5可以看出,缩放管内插6个180°旋流片具有最大的传热综合性能,其次是缩放管内插4个180°旋流片,然后是缩放管内插4个270°旋流片,最后是缩放管空管。这是因为,缩放管内插4个180°旋流片与缩放管内插4个270°旋流片的努赛尔数虽然基本相当,但是由于缩放管内插4个180°旋流片具有更低的阻力系数,所以缩放管内插4个180°旋流片相对具有更好的传热综合性能。总之,缩放管能破坏边界层的发展,使热阻从近壁区向主流区转移,从而促进近壁区的强化传热,但难以进一步强化主流区的传热;缩放管跟旋流片的复合使用,则可以弥补前者只能在单一区域强化传热的不足,使单一的强化传热能扩展至近壁区与主流区两个区域之间的协同强化传热,使热阻的分布在近壁区与主流区趋于均匀化,从而获得更好的综合性能[8]。
3.2有效传热温差缓变特性
从强化传热的原因上分析,导致传热速率提高的主要因素有两种,一是流体传热膜系数的提高,二是流体与壁面间传热温差的提高。在缩放管空管内,虽然缩放管空管对壁面能够进行有效的扰动,破坏边界层的发展,壁面与流体主体的平均温度间有较高的传热温差,但单纯依靠分子导热才能进行传热的层流层厚度δ依然很大(δ≈di/2),使得按傅立叶传热定律定义的传热系数h=λ/δ极小,故传热速率依然很低(见图6)。但在有内插物作两区流体置换的传热管段内,由于流体的跨区置换作用可将近壁区流体单纯依靠分子导热才能进行传热的层流层厚度δ压缩到极小(见图7),使得传热系数h=λ/δ可以大幅提高,同时,由于主流区与近壁区冷热流体的置换使得近壁区流体的平均温度与壁温的差值大幅提高(见图8),因此在有内插物作用的传热管段,传热速率的提高是由于传热系数与传热温差二者双重提高的作用所致。在采用间隔分置内插物的传热管段中,在流体经内插物间歇性置换之后的下游管段(无内插物的管段)内,主流区与近壁区的高粘度流体由于其粘性极大而迅速恢复到置换前的层流流动形态,传热膜系数h由于δ的迅速增加也急剧下降至置换前的较低水平,但近壁区的流体温度分布却由于高粘度流体导热速率低的原因在随时间的变化上有非常显著的滞后效应,这就导致近壁区流体与传热壁面之间的较高传热温差依然可以维持一段较长的时间(或下游较长的距离),从而表现出高粘度流体的传热温差缓变特性(见图8)。
在此下游管段中,传热速率依然比缩放管空管的情况有大幅的提高,但提高的原因已不再是因为流体传热系数的提高(这仅仅是一个表观的现象),而是因为近壁区流体与传热壁面之间依然存在较大传热温差所致。若对于工业应用的高粘度流体大型换热器,当管壳程温差更大时,置入插入物的有效传热温差将比无插入物时更大,从而表现出更高的传热推动力,因此揭示这一高粘度流体内在的强化传热有效传热温差缓变机理对于深化与扩展插入物在高粘度流体类型换热器中的有效应用大有裨益。
4结论
本文对85%甘油在光滑管、缩放管与内插旋流片的缩放管的传热与流阻性能进行了数值模拟计算,分析了不同旋流片结构参数对传热综合性能的影响,层流时内插小角度跟6个的缩放管对提高综合性能更有利。另外,揭示了高粘度流体置换类强化传热方法的有效传热温差缓变特性,若能充分利用这一缓变特性,则可望通过节省流体输送功的途径获得最佳的综合传热性能。研究这一特性可为高粘度流体置换类强化传热类型的换热器寻找优化途径。
参考文献
[1]Wang Yangjun,Hou Meiling,Deng Xianhe,et al.Configuration opti-mization of regularly spaced short-length twisted tape in a circular tubeto enhance turbulent heat transfer using CFD modeling[J].AppliedThermal Engineering.2011,31:1141-1149.
[2]Chen Ying,Deng Xianhe,Ding Xiaojiang,et al.convection heat trans-fer of fully developed turblent flow in shaped tubes with a new concept[J].Int.Comm.Heat Mass Transfer,2004:3(31):355-364.
[3]S.K.AGARWAL,M.RAJA RAO.Heat transfer augmentation for theflow of a viscous liquid in circular tubes using twisted tape inserts[J].Int.J.Heat Mass Transfer,1996,17(39):3547-3557.
[4]陶文铨.数值传热学(第二版)[M].西安:西安交通大学出版社,2001:50-51.
[5]Vimal Kumar,Pooja Gupta,K.D.P.Nigam.Fluid flow and heat trans-fer in curved tubes with temperature-dependent properties[J].Indus-trial and Engineering Chemistry Research,2007,46:3226-3236.
[6]S.K.AGARWAL,M.RAJA RAO.Heat transfer augmentation for theflow of a viscous liquid in circular tubes using twisted tape inserts[J].Int.J.Heat Mass Transfer,1996,17(39):3547-3557.
[7]Webb R.L.,Eckert E.R.G.Application of rough surfaces to heat ex-changer design[J].International Journal of Heat Mass Transfer,1972,15:1647-1658.
强化传热在CFB锅炉中的应用 第7篇
关键词：内循环流化床锅炉,烟气速度,对流管束,对流换热,热效率
1 内循环流化床锅炉对流管束存在的问题
1) 循环流化床锅炉结构简介。某锅炉厂生产的QXF64-1.25-130/70-H型内循环流化床热水锅炉, 高温分离器设置在炉膛上部, 高温烟气自分离器出口 (炉膛出口) 首先进入对流管束, 经过两排挡烟板3次折返后, 烟气相继流经省煤器、空气预热器排出锅炉。
2) 对流管束换热效果分析。高温烟气流经对流管束时, 烟气在两排挡烟板控制下, 经3次折返。由图1可以看出烟气折返过程中存在3个烟气不冲刷盲区, 盲区面积约占管束区受热面的50%, 该锅炉对流管束受热面积为534 m2, 也就是说只有260~270 m2参与了对流冲刷换热, 盲区受热面形同虚设。原对流区烟速设计为7.2 m/s, 根据上述分析, 对流受热面未能充分发挥换热作用, 致使对流区末端排烟温度偏高。
2 对流管束强化传热方案分析
强化传热主要通过提高传热系数、提高传热面积、提高平均传热温差3方面入手。其中提高平均传热温差涉及到CFB锅炉炉膛出口烟气温度限制, 提高平均传热温差涉及到锅炉结焦和氮氧化物排放, 不便于调整, 因此对流管束传热过程的强化措施主要是提高传热系数和传热面积。
2.1降低对流冲刷盲区面积、提高烟速
我们对一台29MW锅炉进行了挡烟板改造试验。针对原对流管束烟气横向冲刷过程存在的问题, 将原2排挡烟板改造为4排挡烟板, 烟气流程由2挡烟3次折返改为4挡烟5次折返。原2排挡烟板与水平夹角为30°, 调整改造后夹角为5°。烟气速度由7.2 m/s提高到12 m/s。改造后的烟速比锅炉热力计算推荐烟速9~10 m/s提高了2~3 m/s。烟速提高势必会造成对流区管束的磨损, 该锅炉自2009年改造运行至2012年采暖期结束, 3个采暖期锅炉实际运行时间为18个月。2012年采暖期结束后对管子ф51 mm×3.5 mm壁厚进行了测量, 减薄量为0.15 mm, 按此减薄速度, 该管子ф51 mm×3.5 mm允许减薄按1.5 mm计算, 使用年限可达到20~30年。依据上述数据分析, 提高烟速达12m/s, 对流区管子磨损并不严重。另外循环流化床锅炉的原始排尘浓度很大, 约为15 000~20 000 mg/ (N·m3) , 该技术若用于具有对流管束的层燃炉效果更佳, 笔者在2001年至今相继对SHW和SHL系列锅炉进行了大量改造, 锅炉热功率提高20%~30%。
改造后锅炉对流管束烟气流程示意图如图2所示。
2.1.1烟速提高与对流换热关系
对流传热在锅炉中应用十分广泛, 对流换热时流体与壁面之间的热交换公式如下:q=αк (t-tb) 。
q为单位面积在单位时间内通过对流传递的热量, W/m2;αк为对流放热系数, W/ (m2·K) ;t为流体温度, ℃;tb为壁面温度, ℃。
由上式可知, 对流传热热量、对流换热系数和流体与壁面的温差成正比。
对流换热系数是表明换热过程强弱的物理量, 影响的因素较多, 它与流体的质量流速、密度、比热容、黏度、热导率等因素有关, 其中质量流速是最主要的因素。当烟气流速由7.2 m/s提高到12 m/s, 对于顺列排列的管束传热系数依据相关实验数据如表1所示。
传热系数K=K0·Co。当K0从33.8提高到54时, 当烟气流速7.2 m/s时传热系数K=K0·C0=33.8×1=33.8, 当烟气流速12 m/s时传热系数K=K0·C0=54×0.7=37.8, 可见传热系数提高了12%。
2.1.2烟速提高与受热面增加的关系
受热面不仅要满足传热的需要, 它对锅炉整体结构起着决定性的影响。挡烟板的布置形式直接关系到烟气的冲刷方式、烟气充满度、烟气流速、烟气阻力、受热面磨损、管内介质流速、水循环的安全性等对传热性能方面的影响。
由于对流管束烟速提高, 对流区段管束被冲刷面积大幅度提高, 冲刷盲区面积由50%缩小为10%, 相当于增加了40%的对流受热面, 且受热面增加后传热系数同时增大12%, 因此, 锅炉热功率必然同步增加。锅炉对流区改造前、后运行参数也验证上述分析, 见表2~表3。
从表2~表3数据看出, 同一台锅炉对流区改造后锅炉热功率由30.7MW提高到43.9MW, 改造后锅炉热功率为改造前的143%, 增加出力13.1MW, 锅炉提高了供热能力, 降低了燃煤消耗量, 节约了能源, 获得了较大的经济效益。
3 改造资金与经济效益分析
锅炉对流管束强化换热改造最好配合炉墙大修前进行, 这样可以免除炉墙局部拆除工程量。利用原两排耐热不锈钢挡烟板稍作修改上移至烟气高温段, 重新设计低温区段挡烟板, 低温区挡烟板材质为RTQSi-4.5中硅耐热球墨铸铁。挡烟板、横梁、托板等金属材料重量为1899.4kg;耐火混凝土等材料为1.5 m3;人工费1万元;总投资不足3万元。改造后增加热功率13.1MW, 按10MW进行分析。一个采暖期增加热量Q=180×24×10×3.6=155 520 GJ/a。
式中:采暖期为180 d;运行方式 (连续) 为24 h/d;换算系数为3.6;热功率增加量为10MW。
一个采暖期节约标煤量:Bbm=45 kg/GJ×155 520 GJ=6 998 400 kg=6 998.4 t;一个采暖期节约资金 (标煤吨价按700元) :700×6 998.4≈490万元。
4结论
1) 利用强化换热原理改造对流管束理论上有根据, 改造实施工程不复杂。
2) 有效地解决了原锅炉存在的问题, 对CFB锅炉实施改造管群磨损不严重, 更适合对层燃炉实施改造。
【强化传热技术】相关文章：
浅议换热器强化传热技术09-12
管壳式换热器强化传热技术概述09-14
管壳式换热器的强化传热技术分析09-11
强化传热在锅炉管式空气预热器中的应用09-11
传热问题05-13
传热学05-28
化工原理传热06-05
对流传热系数06-11
传热比赛范文06-12
传热学理论05-10