管殼式換熱器的強化傳熱方式
來源：
廣東捷邦節(jié)能 日期：2020-11-11
換熱器的強化傳熱從廣義上可以分為主動強化傳熱技術與被動強化傳熱技術兩大類。主動傳熱強化需要外部對系統(tǒng)施加動力來實現(xiàn)強化傳熱的目的，它需要外部器械進行輔助，并不適用于大部分系統(tǒng)。被動強化傳熱指不需施加外力，主要通過優(yōu)化換熱器幾何結構、改變流體物性等來提高傳熱速率，不需要外部設備且操作簡單，因此更加廣泛地被應用于實際工藝中。
目前國內(nèi)外針對管殼式換熱器強化換熱的研究主要還是集中于被動強化傳熱技術換熱器強化傳熱的目的是在相同動力消耗條件下，單位時間、單位面積下盡可能增加換熱量。針對管殼式換熱器的強化傳熱主要有以下方式：管程強化傳熱、殼程強化傳熱、流體本身物性優(yōu)化以及復合強化傳熱等。
管程強化傳熱
針對管殼式換熱器管程的強化傳熱主要采用強化傳熱管或加入管內(nèi)插入物，在換熱管表面加工形成凸起對流體進行擾動，從而強化傳熱。其中強化傳熱管主要包括波紋管、橫紋管、螺旋扁管、縮放管以及內(nèi)翅片管等
波紋管是由薄壁光滑管加工而成，傳熱系數(shù)為光滑管的2～4 倍。
橫紋管是在金屬管材上變截面連續(xù)滾軋成型，有效面積無太大擴展，靠突出肋對流體產(chǎn)生擾動。
螺旋扁管是將光滑圓管壓扁，并按一定導程扭曲而形成的管型。管內(nèi)螺旋狀流道使流體產(chǎn)生旋轉，增加流體擾動程度，促進流體混合，極大提高換熱效率。
縮放管通過管段收縮變化使流體產(chǎn)生回轉旋渦從而提高傳熱系數(shù)，內(nèi)翅片管的傳熱面積有較大增加，且流體微團在壁面產(chǎn)生回轉旋渦，從而提高傳熱系數(shù)。
強化傳熱管相對光滑管傳熱性能可以大幅提高，但其加工較為復雜且不易清洗，適用于不易結垢的流體強化傳熱。管內(nèi)插入物具有加工簡單、不改變傳熱管形狀等優(yōu)點，適用于現(xiàn)有換熱器的改造。管內(nèi)插入物可以擾動管內(nèi)流體，形成旋流和二次流，增強湍流強度，破壞層流邊界層，從而加快流體與傳熱管的換熱，同時摩擦系數(shù)較小，能夠有效清除污垢，被廣泛應用于換熱器中。
常見的管內(nèi)插入物主要為金屬紐帶及螺旋片等。
紐帶是一種結構簡單的旋流發(fā)生器，由薄金屬片扭轉而成，與光滑管相比，傳熱系數(shù)可以提高2倍以上。
螺旋片是由一定直徑的銅絲或鋼絲按照一定的節(jié)距繞成。對于雷諾數(shù)較大的湍流區(qū)，增加主流的擾動對傳熱影響并不大，而管壁附近的層流導熱對過程起控制作用，螺旋線正好處于壁面附近，在近管壁區(qū)域引起湍流擾動，從而有效提高傳熱系數(shù)。
不同形式的折流管換熱器
折流桿式換熱器
折流桿換熱器是目前應用最廣的新型管殼式換熱器。此種換熱器廣泛應用于單相沸騰和冷凝的各種工況。其總傳熱系數(shù)比普通折流板換熱器提高40~60%，且抗振性能好。把折流桿支撐結構與螺旋槽管、橫紋槽管、底翅片管、T形翅片管等強化傳熱管組合，形成復合強化傳熱技術。
空心環(huán)式換熱器
空心環(huán)是由直徑較小的鋼管截成短節(jié)，均勻地分布于換熱管管間的同一截面上，呈線性接觸，在緊固裝置螺栓力的作用下，使管束相對緊密固定。
螺旋折流板換熱器
與常規(guī)折流板相互平行布置方式不同，它的折流板相互形成一種特殊的螺旋形結構，每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度，使殼程流體做螺旋運動，能減少管板與殼體之間易結垢的死角，從而提高了換熱效率。在氣—水換熱的情況下，傳遞相同熱量時，該換熱器可減少30％~40％的傳熱面積，節(jié)省材料20％~30％。此換熱器尤適宜于處理含固體顆粒、粉塵和泥沙等流體。
扭曲管換熱器
捷邦高效節(jié)能型管殼式冷凝器和高效節(jié)能型蒸發(fā)器產(chǎn)品都獲得廣東省高新技術產(chǎn)品證書。
殼程強化傳熱
換熱器殼程強化傳熱包括擴展表面和管束支撐結構等。
針對管殼式換熱器殼程強化傳熱，更多研究在于殼程支撐結構的設計及優(yōu)化。針對殼程隔板的優(yōu)化一直得到國內(nèi)外學者的廣泛關注，多種不同結構的隔板被設計以及制造，如偏轉擋板、重疊螺旋擋板以及折流桿等。
弓形隔板換熱器
連續(xù)型螺旋板換熱器
重疊螺旋折流板
流體傳熱強化
納米流體是一種由基液和納米顆粒（尺寸小于100nm）組成的穩(wěn)定均勻的液體，在研究中發(fā)現(xiàn)，納米流體具有優(yōu)異的熱物性，能夠有效地提高流體的熱導率。
潛熱型流體是一種以相變材料為基礎的集儲熱和強化傳熱功能于一體的新型工質(zhì)，是由不同方法制備的相變材料微粒與單相流體組成的。
相變微膠囊懸浮液是將相變材料使用高分子聚合物包裹成微膠囊顆粒，再將微膠囊分散到水中而形成。
離子液體是由有機陽離子與無機/有機陰離子構成的熔鹽體系，在室溫下呈現(xiàn)液態(tài)，因此也被稱為低溫熔融鹽。
復合強化傳熱
復合強化傳熱技術是將兩種或兩種以上強化措施同時應用，以獲得更高強化傳熱效果。針對復合強化傳熱研究已獲得諸多關注，包括同時使用金屬紐帶及螺旋線對管內(nèi)流體進行強化傳熱、使用納米流體流經(jīng)強化傳熱裝置等。
目前國內(nèi)外針對管殼式換熱器強化換熱的研究主要還是集中于被動強化傳熱技術換熱器強化傳熱的目的是在相同動力消耗條件下，單位時間、單位面積下盡可能增加換熱量。針對管殼式換熱器的強化傳熱主要有以下方式：管程強化傳熱、殼程強化傳熱、流體本身物性優(yōu)化以及復合強化傳熱等。
管程強化傳熱
針對管殼式換熱器管程的強化傳熱主要采用強化傳熱管或加入管內(nèi)插入物，在換熱管表面加工形成凸起對流體進行擾動，從而強化傳熱。其中強化傳熱管主要包括波紋管、橫紋管、螺旋扁管、縮放管以及內(nèi)翅片管等
波紋管是由薄壁光滑管加工而成，傳熱系數(shù)為光滑管的2～4 倍。
橫紋管是在金屬管材上變截面連續(xù)滾軋成型，有效面積無太大擴展，靠突出肋對流體產(chǎn)生擾動。
螺旋扁管是將光滑圓管壓扁，并按一定導程扭曲而形成的管型。管內(nèi)螺旋狀流道使流體產(chǎn)生旋轉，增加流體擾動程度，促進流體混合，極大提高換熱效率。
縮放管通過管段收縮變化使流體產(chǎn)生回轉旋渦從而提高傳熱系數(shù)，內(nèi)翅片管的傳熱面積有較大增加，且流體微團在壁面產(chǎn)生回轉旋渦，從而提高傳熱系數(shù)。
強化傳熱管相對光滑管傳熱性能可以大幅提高，但其加工較為復雜且不易清洗，適用于不易結垢的流體強化傳熱。管內(nèi)插入物具有加工簡單、不改變傳熱管形狀等優(yōu)點，適用于現(xiàn)有換熱器的改造。管內(nèi)插入物可以擾動管內(nèi)流體，形成旋流和二次流，增強湍流強度，破壞層流邊界層，從而加快流體與傳熱管的換熱，同時摩擦系數(shù)較小，能夠有效清除污垢，被廣泛應用于換熱器中。
常見的管內(nèi)插入物主要為金屬紐帶及螺旋片等。
紐帶是一種結構簡單的旋流發(fā)生器，由薄金屬片扭轉而成，與光滑管相比，傳熱系數(shù)可以提高2倍以上。
螺旋片是由一定直徑的銅絲或鋼絲按照一定的節(jié)距繞成。對于雷諾數(shù)較大的湍流區(qū)，增加主流的擾動對傳熱影響并不大，而管壁附近的層流導熱對過程起控制作用，螺旋線正好處于壁面附近，在近管壁區(qū)域引起湍流擾動，從而有效提高傳熱系數(shù)。
不同形式的折流管換熱器
折流桿式換熱器
折流桿換熱器是目前應用最廣的新型管殼式換熱器。此種換熱器廣泛應用于單相沸騰和冷凝的各種工況。其總傳熱系數(shù)比普通折流板換熱器提高40~60%，且抗振性能好。把折流桿支撐結構與螺旋槽管、橫紋槽管、底翅片管、T形翅片管等強化傳熱管組合，形成復合強化傳熱技術。
空心環(huán)式換熱器
空心環(huán)是由直徑較小的鋼管截成短節(jié)，均勻地分布于換熱管管間的同一截面上，呈線性接觸，在緊固裝置螺栓力的作用下，使管束相對緊密固定。
螺旋折流板換熱器
與常規(guī)折流板相互平行布置方式不同，它的折流板相互形成一種特殊的螺旋形結構，每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度，使殼程流體做螺旋運動，能減少管板與殼體之間易結垢的死角，從而提高了換熱效率。在氣—水換熱的情況下，傳遞相同熱量時，該換熱器可減少30％~40％的傳熱面積，節(jié)省材料20％~30％。此換熱器尤適宜于處理含固體顆粒、粉塵和泥沙等流體。
扭曲管換熱器
捷邦高效節(jié)能型管殼式冷凝器和高效節(jié)能型蒸發(fā)器產(chǎn)品都獲得廣東省高新技術產(chǎn)品證書。
殼程強化傳熱
換熱器殼程強化傳熱包括擴展表面和管束支撐結構等。
針對管殼式換熱器殼程強化傳熱，更多研究在于殼程支撐結構的設計及優(yōu)化。針對殼程隔板的優(yōu)化一直得到國內(nèi)外學者的廣泛關注，多種不同結構的隔板被設計以及制造，如偏轉擋板、重疊螺旋擋板以及折流桿等。
弓形隔板換熱器
連續(xù)型螺旋板換熱器
重疊螺旋折流板
流體傳熱強化
納米流體是一種由基液和納米顆粒（尺寸小于100nm）組成的穩(wěn)定均勻的液體，在研究中發(fā)現(xiàn)，納米流體具有優(yōu)異的熱物性，能夠有效地提高流體的熱導率。
潛熱型流體是一種以相變材料為基礎的集儲熱和強化傳熱功能于一體的新型工質(zhì)，是由不同方法制備的相變材料微粒與單相流體組成的。
相變微膠囊懸浮液是將相變材料使用高分子聚合物包裹成微膠囊顆粒，再將微膠囊分散到水中而形成。
離子液體是由有機陽離子與無機/有機陰離子構成的熔鹽體系，在室溫下呈現(xiàn)液態(tài)，因此也被稱為低溫熔融鹽。
復合強化傳熱
復合強化傳熱技術是將兩種或兩種以上強化措施同時應用，以獲得更高強化傳熱效果。針對復合強化傳熱研究已獲得諸多關注，包括同時使用金屬紐帶及螺旋線對管內(nèi)流體進行強化傳熱、使用納米流體流經(jīng)強化傳熱裝置等。
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