換熱器的強化傳熱方法有哪些？換熱器的新技術(shù)新材料有什么？

更新時間：2023-07-18 點擊次數(shù)：1415

換熱器傳熱強化方法

1、螺旋凹槽、波紋、肋片管式換熱器：

（1）螺旋槽管

螺旋槽紋管是表面具有螺旋形凹槽的一種強化傳熱管，傳熱管內(nèi)外表面的凸起或槽紋，干擾了管內(nèi)流體的流動，破壞了層流邊界層，流動狀態(tài)達(dá)到充分的湍流，產(chǎn)生的漩渦又不斷地擾動邊界層的流體，促進了傳熱管同流體間的熱交換；湍流度的增加也有助于避免污垢在傳熱管壁面的沉積，提高傳熱系數(shù)，增強了管內(nèi)外流體的換熱。螺旋升角對換熱的影響很大，大螺旋升角更有利于換熱。研究表明，螺旋槽管換熱器比光管的傳熱系數(shù)提高了2—4倍，在阻力損失和換熱面積相同時，換熱量可增加30％一40％。

旋流管是螺旋槽紋管的衍生品，也叫異型螺旋槽管。其槽紋是半流線的勺形或w形，流體在其內(nèi)流動呈波狀特性，它的傳熱機理與螺旋槽管大體相同。這種傳熱管的傳熱面積和傳熱系數(shù)大大增加，傳熱系數(shù)比光管提高3．5倍，并且在相同傳熱量下旋流管的換熱系數(shù)比螺旋槽管高3％一8％，而壓力損失低5％一10％。

（2）波紋管

波紋管是表面有波紋狀突起的強化傳熱管，由于波紋管的壁很薄，傳熱管可以自由伸縮。流體在管內(nèi)流動時，截面不斷的變化，擾動流體，破壞層流邊界層，以強化傳熱。波紋管的傳熱效率通常是光管的2—4倍，同時還具有除垢能力強，溫差應(yīng)力小，結(jié)構(gòu)緊湊輕巧等特點。波紋管的壁薄，有波紋突起，可以有效地消除縱向應(yīng)力，但是波紋管的強度問題沒有很好的解決，應(yīng)用范圍受到限制。

（3）橫紋管

橫紋管由光管的外表面被滾壓成一圈圈有序的環(huán)形凹槽而成，與管子軸線成90°角。影響橫紋槽管綜合傳熱性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為肋節(jié)距和肋形，而肋高影響較小，并且傳熱綜合因子隨流動Re數(shù)增大而迅速降低。

橫紋抗垢能力要優(yōu)于光管，漸近污垢熱阻值約為光管的0．83，污垢狀態(tài)下橫紋管的強化比約為1．4。說明橫紋管其性能比光管要好，也比螺紋管好，在同樣傳熱效果下，阻力增加比螺旋槽管少。

（4）螺旋橢圓扁管

螺旋橢圓扁管是把圓形光管壓成橢圓形，然后扭曲而成，流體在管內(nèi)處于螺旋流動狀態(tài)，因而破壞了管壁附近的層流邊界層，提高了傳熱效率。這種管束結(jié)構(gòu)的特點是：兩個并行排列的相鄰管子的橢圓長軸相互接觸，互相支撐，應(yīng)用這種管的換熱器取消了附加的管束支撐物，節(jié)約了材料和成本。

研究表明，螺旋橢圓扁管換熱器具有較好的強化傳熱性能，管徑大小和螺旋導(dǎo)程對傳熱和阻力性能均有影響。從綜合性能來看，大管徑優(yōu)于小管徑；對于相同規(guī)格的管子，導(dǎo)程增大，傳熱性能降低．流動阻力減小。這種結(jié)構(gòu)的換熱器與光管換熱器相比，熱流密度高50％，容積小30％。

2、翅片管式換熱器：

通過增加翅片數(shù)量、間距和形狀等，增加了換熱器的表面積，從而提高了傳熱效率。

3、納米流體換熱器：

通過在傳熱介質(zhì)中加入納米顆粒，可以增加介質(zhì)的熱導(dǎo)率和傳熱面積，從而提高傳熱效率。

4、換熱器表面涂層：

在換熱器表面涂上具有高熱傳導(dǎo)率和高吸熱能力的材料，可以增加換熱器的傳熱效率。

5、超聲波換熱器：

通過在傳熱介質(zhì)中加入超聲波，可以增加介質(zhì)的振動程度，從而增強傳熱效果。

6、電場強化傳熱：

通過在傳熱介質(zhì)中加入電場，可以增加介質(zhì)的運動程度，從而增強傳熱效果。

換熱器新技術(shù)

1、不結(jié)垢換熱器

不結(jié)垢換熱器的開發(fā)，國外始于20世紀(jì)70年代初，用于海水脫鹽，后來應(yīng)用到化工、食品、海水淡化和造紙等領(lǐng)域，尤其應(yīng)用在一些會發(fā)生嚴(yán)重結(jié)垢的場合，或含有大量不溶解顆粒的液體處理系統(tǒng)中。而國內(nèi)從20世紀(jì)90年代初對不結(jié)垢換熱器進行基礎(chǔ)性試驗研究。近年來，長嶺煉油化工總廠研制成功了一種稱之為管內(nèi)彈簧自動清洗高效自潔換熱器，其技術(shù)核心是螺旋形彈簧和固定元件組成的一個簡單的機械系統(tǒng)，將此系統(tǒng)安裝在換熱器管內(nèi)，在流體動能作用下，該系統(tǒng)產(chǎn)生連續(xù)的振動，促進湍流程度，破壞了污垢生成條件，從而達(dá)到防垢和強化傳熱的目的。使用該換熱器總傳熱系數(shù)可提高30％～50％，除垢率達(dá)到50％～70％。

2、微通道換熱器

換熱器T質(zhì)通過的水力學(xué)直徑從管片式的廬10～50mm，板式的聲3～10mm，不斷發(fā)展到小通道的Φ0．6～2mm，微通道的Φ10～600μm，這是現(xiàn)代微電子機械快速發(fā)展對傳熱的現(xiàn)實需求，也是微通道具有的優(yōu)良傳熱特性使然。微通道技術(shù)同時觸發(fā)了傳統(tǒng)工業(yè)制冷、汽車空調(diào)、家用空調(diào)等領(lǐng)域提高效率、降低排放的技術(shù)革新。

在家用空調(diào)方面，當(dāng)流道尺寸小于3 mm時，氣液兩相流動與相變傳熱規(guī)律將不同于常規(guī)較大尺寸，通道越小，這種尺寸效應(yīng)越明顯。當(dāng)管內(nèi)徑小到Φ0．5～1mm時，對流換熱系數(shù)可增大50％～100％。將這種強化傳熱技術(shù)用于空調(diào)換熱器，適當(dāng)改變換熱器結(jié)構(gòu)、工藝及空氣側(cè)的強化傳熱措施，預(yù)計可有效增強空調(diào)換熱器的傳熱、提高其節(jié)能水平。

與高效的常規(guī)換熱器相比，空調(diào)器的微通道換熱效率可望提高20％～30％L3J。在這方面，全球幾大散熱器生產(chǎn)廠家如Delphi，Aluventa和Danfoss經(jīng)開始將微通道散熱器推廣應(yīng)用于家用空調(diào)如多聯(lián)機、戶式中央空調(diào)，這將使產(chǎn)品擁有巨大的競爭力。我國陽江寶馬利、江蘇康泰也在緊跟全球換熱器發(fā)展步伐，已開發(fā)出多種微通道家用空調(diào)散熱器。

3、塑料換熱器

塑料換熱器是以小直徑塑料軟管作為傳熱組件的換熱器。常用的塑料有聚四氟乙烯（F4）、聚全氟代乙丙烯（F46）、可熔性聚四氟乙烯（PFA）、聚丙烯或聚乙烯。塑料換熱器主要用于工作壓力為0.2~0.4MPa﹑工作溫度在-200～200℃之間的各種強腐蝕性介質(zhì)的換熱﹐如硫酸﹑腐蝕性的氯化物溶液﹑醋酸和苛性介質(zhì)的冷卻或加熱。

塑料換熱器的結(jié)構(gòu)有管殼式換熱器和沉浸式換熱器兩種型式。它們的主要部分都是由許多小直徑薄壁的塑料傳熱軟管組成的管束。常用的管子規(guī)格有多種﹐外徑×壁厚分別為3～12mm×0.3～1.0mm。管束包含有60～5000根管子﹐兩端各用聚四氟乙烯卷帶互相隔開。管束插在一環(huán)中﹐焊成整體蜂窩狀管板。塑料換熱器的其它部件與常見的﹑用金屬管作為傳熱組件的管殼式換熱器和沉浸式換熱器略同。

塑料的化學(xué)性能極穩(wěn)定﹐抗蝕性能尤好。塑料管壁表面光滑﹐并且有適度的撓性﹐使用時微有振動﹐故不易結(jié)垢。塑料換熱器體積小﹐結(jié)構(gòu)緊湊﹐設(shè)備單位體積內(nèi)傳熱面積為金屬管的管殼式換熱器的4倍多。撓性的塑料管能在流體的沖擊和振動中安全工作﹐管束可按需要制成各種特殊形狀。塑料的導(dǎo)熱系數(shù)低﹐力學(xué)性能較金屬差﹐不耐高溫。采用小直徑﹑薄管壁﹐雖對導(dǎo)熱系數(shù)和力學(xué)性能有所補償﹐但仍只能用于較低壓力和較低溫度的場合。

塑料換熱器的生產(chǎn)制作已越來越成熟，且廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、酸洗等腐蝕性行業(yè)。

4、低溫?fù)Q熱器

低溫?fù)Q熱器的一些特點：

（1）要求換熱效率高，溫差小;

（2）流動阻力；

（3）尺寸與重量

例如：在工質(zhì)為氮的單級焦耳-湯姆遜液化循環(huán)中，當(dāng)高壓壓力為1.96x107Pa，低壓壓力為9.8x104Pa，換熱器的效率低于85.5%時，液化率就等于零。低溫?fù)Q熱器中換熱冷損需要冷量來補償，隨著低溫設(shè)備工作溫度的進一步降低，為獲得此溫度水平冷量花的代價越大，即冷量的價值越大，所以低溫?fù)Q熱器的工作溫度越低，對它的要求越高。低溫?fù)Q熱器的傳熱多在小溫差下進行，傳熱溫差越小，換熱不可逆損失也越小。

例如，在氦液化設(shè)備中，某些低溫?fù)Q熱器當(dāng)其熱端溫差超過0.5K時，液化設(shè)備就無法正常運行。

由于小的傳熱溫差，要傳遞一定的熱量，勢必要增加傳熱面積，或采用更高的流速，加上低溫?fù)Q熱器對流動阻力、尺寸與重量的要求，使得低溫?fù)Q熱器的設(shè)計處于錯綜復(fù)雜，相互矛盾的要求之中。

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