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        管殼式換熱器換熱管的傳熱強化

        2013-09-13 03:37:02李若蘭霍正齊
        制冷 2013年3期
        關(guān)鍵詞:翅片管光管翅片

        李若蘭,丁 杰,霍正齊

        (武漢新世界制冷工業(yè)有限公司,湖北武漢430023)

        1 引言

        強化傳熱技術(shù)是指能顯著改善傳熱效果、提高傳熱速率的技術(shù),能實現(xiàn)設(shè)備投資和運行費用最低,實現(xiàn)能源的合理利用。強化傳熱技術(shù)在石油、化工、動力、核能、制冷、乃至國防工業(yè)等領(lǐng)域中己經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

        傳熱的基礎(chǔ)設(shè)備是換熱器,管殼式換熱器在換熱器中占主導(dǎo)地位,其不僅結(jié)構(gòu)堅固,同時具有高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性,目前管殼式換熱器的用量約占全部換熱器70%[1]。提高管殼式換熱器的傳熱效率,一般從兩個方面,一方面是改善殼程結(jié)構(gòu),促進流體湍流,提高殼程換熱效率,另一方面是強化換熱元件—換熱管,提高換熱管的傳熱效率。

        換熱管的強化傳熱發(fā)展,按照國際權(quán)威Bergles劃分為三代:第一代為光滑管或光滑通道;第二代為平翅片、二維粗糙元、二維肋片管;第三代為三維粗糙元、三維肋片管[2]。

        第二代強化換熱管,如螺旋槽管、橫紋管、縮放管、波紋管及翅片管等,國內(nèi)外進行了大量的工作,對其流動和傳熱特性進行了廣泛的研究,傳熱機理已經(jīng)建立,制造工藝成熟,工程上已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。

        第三代強化換熱管:如針翅管、花瓣形管、斜針翅管等已被證實是更先進的傳熱技術(shù),目前仍在繼續(xù)發(fā)展中。

        2 第二代強化換熱管

        換熱管定量下擴展傳熱面積,加強對流體的擾動從而實現(xiàn)傳熱強化,迄今是強化傳熱研究最多的方法。

        圖1 螺旋槽管結(jié)構(gòu)示意圖

        2.1 螺旋槽管

        螺旋槽管是由光管擠壓而成。管外表面壓出螺旋形的凹槽,管內(nèi)則形成螺旋形的肋。如圖1所示。

        管內(nèi)流動的流體在肋的前后產(chǎn)生了逆向壓力梯度,使流體產(chǎn)生分離旋渦,造成了傳熱邊界層的分離,螺旋肋對近壁面處的流體運動起著限制作用,使流體產(chǎn)生了螺旋運動,管內(nèi)流體運動的分離流和螺旋流并存,促進流體邊界層的湍流,減薄層流厚度,加快由壁面至流體主體的熱量傳遞。管外流體掠過管束時,螺旋槽表面的凹槽促進邊界層流體的分離和強化流體的擾動,降低層流熱阻,提高傳熱效果。螺旋槽紋管具有雙面強化傳熱的作用,適用于對流、沸騰和冷凝等工況,抗污垢性能高于光管,傳熱性能較光管提高2~4倍,阻力損失和面積相同時換熱量提高30% ~40%[3]。

        螺旋槽有不同的形式:W形螺旋槽、凹槽螺旋槽等。

        2.2 橫紋管

        橫紋管由光管滾扎而成。管外表面滾出凹橫紋,管內(nèi)形成橫向環(huán)肋。凹橫紋、環(huán)肋與管軸垂直。如圖2所示。

        當(dāng)管內(nèi)流體流經(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,使邊界層分離,有利于熱量的傳遞。當(dāng)漩渦將要消失時流體又經(jīng)過下一個橫向環(huán)肋,產(chǎn)生新的渦流,如此往復(fù),保持了穩(wěn)定的強化作用。管外凹槽使邊界層不斷分離,是雙面強化換熱管。橫紋管適用于對流、沸騰和冷凝等工況。橫紋管用于制冷系統(tǒng)臥式管殼式氨冷凝器時,傳熱系數(shù)是光管的1.65倍,可以減少傳熱面積40%。同時環(huán)肋存在擾動流體使得橫紋管有良好的抗污垢性。

        圖2 橫紋管結(jié)構(gòu)示意圖

        圖3 縮放管結(jié)構(gòu)示意圖

        2.3 縮放管

        縮放管是由依次交替的漸縮管段與漸擴管段構(gòu)成,滾軋或擠壓成形。如圖3所示。

        單相流情況下,當(dāng)流體流過擴張段時,流速降低,靜壓增加;在收縮段中流速增加,靜壓減小。擴張段中由于產(chǎn)生正負(fù)壓反差使得流體回流,因而流體微團產(chǎn)生回轉(zhuǎn)漩渦,提高傳熱效果。收縮段中,流體湍動減少,但粘附層速度提高,帶動邊界層,使流動邊界層和傳熱邊界層相應(yīng)地減薄,從而提高傳熱效率。與其他強化管相比,流阻較小,而且由于縮放管曲面的過渡比較平滑,加上流速變化,產(chǎn)生湍流,換熱管表面不易產(chǎn)生結(jié)垢,因此尤為適用于含有埃塵流體的強化傳熱。實驗數(shù)據(jù)表明縮放管結(jié)垢前對流放熱努塞爾數(shù)Nu是光管的約1.2倍,結(jié)垢后提高到約1.3倍,無論是傳熱或抗污垢均優(yōu)于光管[4]。

        2.4 波紋管

        波紋管是以普通光滑換熱管為基管,通過無切削滾扎使管內(nèi)外表面金屬塑性變形而成,如圖4所示。

        圖4 波紋管結(jié)構(gòu)示意圖

        管內(nèi)流體在波峰處速度降低、靜壓增大;波谷處速度增大、靜壓降低,流速壓力交替周期變化產(chǎn)生擾動,使流體產(chǎn)生了劇烈的漩渦,沖涮邊界層,減薄了邊界層,提高換熱效果。

        同時流體在波紋管的弧形段進口處發(fā)生噴射效應(yīng),在出口發(fā)生節(jié)流效應(yīng),兩效應(yīng)的結(jié)果使管壁內(nèi)側(cè)發(fā)生無數(shù)小旋渦,加強了流體的湍流,也提高換熱效果。波紋管實現(xiàn)管內(nèi)外同時傳熱強化。適用于有對流、冷凝強化效果的工況。它可以使總傳熱系數(shù)提高2~3倍[5]。

        波紋管的波形具有不同的形狀:鼓形、梯形、波節(jié)形等。

        2.5 螺紋管

        螺紋管又稱低肋管。是普通光滑換熱管經(jīng)過軋制,在管外表面形成螺紋翅片的強化換熱管。如圖5所示。

        螺紋管的強化作用是在管外。換熱強化機理:一方面螺紋肋片增加了換熱面積;另一方面是由于殼程介質(zhì)流經(jīng)螺紋管表面時,表面螺紋肋片對層流邊層產(chǎn)生分割作用,減薄了邊界層的厚度,同時表面形成的湍流也較光管強,進一步減薄邊界層厚度。兩方面綜合作用的結(jié)果,使得具有較高的換熱能力。對殼程介質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝、氣態(tài)流傳熱、液態(tài)流傳熱均有強化作用;螺紋管換熱器的適用場合:殼側(cè)介質(zhì)比較干凈、無腐蝕、不結(jié)垢。

        螺紋管外表面面積比光管增加2.5倍以上,其總傳熱系數(shù)提高30%以上[6]。一般用于管內(nèi)傳熱系數(shù)比管外傳熱系數(shù)大1倍以上的場合。

        2.6 翅片管

        翅片管可用厚壁管連續(xù)通過多組擠壓輥,經(jīng)擠壓軋制,在變成薄壁管的過程中,多余金屬材料在管子外表面形成翅片。翅片管也稱高肋管,如圖6所示。

        這種管子擴大了傳熱面積,同時也促進流體的湍流,適用于殼程熱阻大于管程熱阻情況,通常殼程熱阻為管程2倍以上適用效果顯著。已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用:石油、化工、制冷、動力、核能、余熱回收、廢氣回收等工程都可以見到翅片管的運用。

        翅片管有不同的翅形:T型翅片管、鋸齒形翅片管、三角形翅片管、E形翅片管、矩形翅片管等,翅片的方向有縱向的也有橫向的,如圖7、圖8所示。

        圖5 螺紋管結(jié)構(gòu)示意圖

        圖6 翅片管結(jié)構(gòu)示意圖

        圖7 縱向翅片管

        圖8 橫向翅片管

        翅片管有外翅片管和內(nèi)翅片管。

        3 第三代強化換熱管

        原理上也是換熱管定量下擴展換熱面積,加強對流體的擾動實現(xiàn)傳熱強化,只是傳熱管內(nèi)或管外的肋或翅片或凹陷是不連續(xù)的,翅片頂部、根部相互斷開形成一個個獨立體。流體經(jīng)過這些獨立的肋、翅片、凹陷時,將形成三元流動,因而稱這種強化傳熱管為三維換熱管。

        圖9 三維花瓣型翅片管示意圖

        圖10 花瓣型三維換熱管實物圖片(1)

        3.1 三維外肋管

        3.1.1 花瓣管

        花瓣型翅片從翅頂?shù)匠岣急桓盍验_,翅片側(cè)面呈一定的弧線,并有相對較小的曲率半徑。從截面看,各翅片象花瓣,因此得名花瓣管。如圖9所示。

        花瓣型翅片管的加工過程:先在基管外滾壓出一次翅,再在一次翅的基礎(chǔ)上用特制刀具犁切-擠壓出花形翅片。

        管外流體流過時,間斷的翅片反復(fù)地激發(fā)傳熱邊界層上的湍流度,使傳熱滯流底層減薄或斷裂從而起到強化傳熱效果,同時翅片存在增加了傳熱面積,從而提高傳熱效率。實物圖片見圖10??諝庠诹⑹焦饣芎突ò旯苈菪鲃訒r傳熱性能試驗表明:花瓣齒高1.5mm,間距1.0mm時,花瓣管外空氣對流換熱系數(shù)是光滑管的1.48~3.24 倍[7]。

        花瓣管能顯著的強化潤滑油、空氣的對流傳熱和混合蒸汽的冷凝傳熱。文獻表明,螺旋隔板花瓣管空氣冷卻器的總傳熱系數(shù)比螺旋隔板低肋管空氣冷卻器提高20%~30%,同時壓降降低10%~30%。

        3.1.2 針翅管

        圖11 斜針翅三維換熱管示意圖

        針翅管如圖11示意,光管外表面有圓桿狀針翅,周向和軸向等間距順序排列,傾斜或垂直焊接在基管外表面上,焊接管加工耗時。針翅的大小、密度均對傳熱效果有影響。整體式在管子外表面上采用機械方法直接加工出針翅,針翅小而且密。

        針翅管的傳熱機理:首先針翅管的肋化系數(shù)高,一般高于螺紋管1.5倍以上,其次針翅存在不斷使流體產(chǎn)生繞流,邊界層不斷受擾動減薄,再則斜針翅使得流體在經(jīng)過針翅繞流時產(chǎn)生速度梯度,加速邊界層的分離,從而強化傳熱。整體式針翅管實物如圖12;焊接式針翅管實物圖片如圖13。用整體式針翅管作為換熱管的潤滑油冷卻器進行不同試驗條件,不同針翅的間距、針翅的高度下考察冷卻器傳熱性能,試驗結(jié)果證實針翅管對潤滑油冷卻傳熱有明顯的強化作用,相同條件下針翅管的總傳熱系數(shù)比光滑管提高1~4倍[8]。

        圖12 整體斜針翅三維換熱管實物圖片

        圖13 焊接針翅換熱管實物圖片(2)

        水、VG32液壓油冷卻器實驗中,在相同的雷諾數(shù)Re下,螺旋折流板斜針翅管換熱器的努謝爾數(shù)Nu是螺旋折流板螺紋管換熱器的1.6~2.6倍[9]。即斜針翅管比螺紋管有更高的傳熱性能。

        3.1.3 菱形翅片管

        菱形狀的翅片分布在管基體的外表面。如圖14所示。

        菱形翅片管由光管一般經(jīng)過兩次成形,首先在基管外滾壓出V形槽,再進行犁切、擠壓形成菱形翅片。

        當(dāng)用于冷凝強化傳熱時,由于其三維翅片的特殊結(jié)構(gòu)造成翅片表面液膜的表面張力分布出現(xiàn)根部大,頂部小,液膜被拉向根部,使三維翅片表面的液膜厚度大幅度的減薄,熱阻減小,從而提高換熱效果。對流傳熱時流體流經(jīng)菱形翅片表面時,周期性擾動傳熱邊界層,提高對流傳熱膜系數(shù)。

        圖14 菱形翅片管結(jié)構(gòu)示意圖

        圖15 菱形翅片管實物圖片(3)

        菱形翅片管的三維翅片可以提高冷凝器的總傳熱系數(shù)和殼側(cè)冷凝傳熱膜系數(shù),能夠較好地強化冷凝傳熱[10]。

        相同流速范圍,殼程支撐結(jié)構(gòu)均采用螺旋折流板,菱形換熱管的殼程膜傳熱系數(shù)比光管提高54% ~108%[11]。

        菱形翅片管實物圖片如圖15。

        3.2 三維內(nèi)肋翅片管

        三維內(nèi)肋翅片管即換熱管內(nèi)表面肋是三維的。三維肋的翅形通常有花瓣形、針形、菱形。實物圖片見圖16

        三維內(nèi)肋翅片管通常由專用機床加工制造。

        三維內(nèi)肋管傳熱機理是,介質(zhì)在流經(jīng)三維肋后形成卡曼渦街的流動狀態(tài),這種流動促進了流體的湍流,流體流經(jīng)肋間時,速度加快,減薄了邊界層厚度,肋的存在增加流動湍流,從而強化管內(nèi)無相變傳熱。

        三維內(nèi)肋擴大了換熱面積,但是換熱管的當(dāng)量直徑變小。

        《三維內(nèi)肋管強化傳熱技術(shù)研究及應(yīng)用》為新能源與高效節(jié)能高新技術(shù)領(lǐng)域的國家科技成果。對三維內(nèi)肋管的強化換熱性能進行了系統(tǒng)的實驗研究,獲得了工質(zhì)物性、流態(tài)、兩相流型、肋結(jié)構(gòu)參數(shù)等對換熱和流動阻力特性的影響,獲得了換熱和流動阻力實驗關(guān)聯(lián)式,提出了完整的設(shè)計計算方法(5)。

        圖16 三維內(nèi)肋管實物圖片(4)

        4 結(jié)語

        第三代的強化傳熱元件,彌補了第二代低肋強化傳熱管存在的各種不足,通過擴大管內(nèi)外傳熱面積,促進流體在管內(nèi)外表面的湍動,減少了流體邊界層厚度,能進一步提高傳熱性能。實質(zhì)上實現(xiàn)節(jié)能降耗。

        但是傳熱元件傳熱性能的提高有限度,不可能無止境,隨著高新技術(shù)的發(fā)展,強化傳熱技術(shù)必然有新方法、新手段出現(xiàn),已經(jīng)有報道:納米材料其獨特的功能為強化傳熱技術(shù)發(fā)展提供了新的途徑,同時積累了一定量的強化傳熱技術(shù)數(shù)據(jù),需要進一步加強基礎(chǔ)研究,爭取早日實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

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        [2]Bergles A E.Enhanced heat transfer:Endless frontier,or ma - ture and routine Journal of Enhanced Heat Transfer,1999,6(2~4):79-88

        [3]崔海亭,彭培英.強化傳熱新技術(shù)及其應(yīng)用 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社2006.1:13

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        (1)花瓣型花瓣型翅片管與低肋管外的冷凝傳熱性能對比[EB/OL].http:∥www.docin.com/p-582743584.html

        (2)產(chǎn)品介紹[EB/OL].http:∥www.chnlsw.cn/web/co/co1/productshow.asp·user=114530&id=430435

        (3)大慶石油化工機械廠產(chǎn)品展示

        (4)強化傳熱技術(shù)及高效節(jié)能設(shè)備[EB/OL].http:∥wenku.baidu.com/view/1743b418a8114431b90dd854.htm

        (5)國家科技成果 [EB/OL].http:∥www.kj863.com/tm/detail/-341636249

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