高效换热（精选5篇）
高效换热 篇1
在国家政策推行节能减排的大形势下, 国内石油化工、医药领域诸多的热交换设备逐渐采用高能效低成本的先进技术。传统的热交换器弓形折流板以及光管换热管结构注定了其效率低下成本较高的弊病。国内外纷纷把目光投向高效的换热技术以及传统热交换设备强化传热技术。
热交换设备强化传热过程是力求使热交换设备在一定的时间和传热面积内完成的热传递更多。强化传热技术是使热交换设备最大限度的提高传热效率的一种技术, 这样能够更大限度的提高传热过程的传热效率。在特定条件下提高传热面积、提高传热系数、提高平均温差是提高传热效率的最终途径。对管壳式热交换器换热管普通光管进行深加工得到不同形式的异形管。较光管来说, 异形管或是增大传热面积, 或是提高传热系数, 管内插件够提高平均温差。在不同场合恰当选择使用异形管能够极大的提高传热效率。
1异形管——波纹管
波纹管按波形分为:波鼓形波纹管、梯形波纹管、缩放管和波节管。流体在经过波纹管时, 在波峰处流速降低, 静压增加, 在波谷处流速增加, 静压降低。流体在管内流动反复的压力波动会使流体产生剧烈的湍流效果, 提高雷诺系数, 干扰减薄流体的边界层。波节的存在有助于提高管内流体的湍流效果, 进而提高波纹管的传热效果, 但波纹管会降低管内流体的流动性能。高雷诺数情况下波节管与光管的换热效果比较接近;低雷诺数的情况下, 因波节管会提高管内流体的湍流效果, 传热效率会比使用光管效果更好。
2异形管——螺旋槽纹管
通过挤压光管管壁加工制作成螺旋槽纹管, 槽纹纹路有单头和多头之分。螺旋槽纹管对管内流体的扰动使得流体成大体螺旋式流动, 并在槽纹处造成流体小范围的二次流动, 消除分离边界层, 提高传热效率2~4倍。螺旋槽纹管对管内管外流体具有双面强化传热的作用, 适用于对流、沸腾和冷凝等工况。
3异形管——翅片管
通过在换热管表面添加各种形式翅片, 增大换热面积, 对流体造成极大的扰动, 从而提高传热效率。选用翅片管为传热元件, 多使用在高温烟气的工况下, 如余热锅炉用翅片管使用在高温高压且具腐蚀性的恶劣环境。这就要求翅片管应具有很高的的性能指标:1防腐性能、2耐磨性能、3低接触热阻、4高稳定性、5防积灰能力等。
4异形管——螺旋扁管
螺旋扁管由圆管加工制成, 其截面形状为扁圆或者椭圆形, 流体在管内流通呈现螺旋状提高了湍流程度。实验研究结果表明:在雷诺数低的螺旋扁管的强化传热效果比光管提高2~3倍, 随雷诺数的增大, 其强化效果有所减小, 但仍可达50%
5异形管——表面多孔管
使用烧结、火焰喷涂、电镀及机械加工的方式形成的多孔表面能够极大地强化沸腾传热, 提高传热效率, 从而能够减少热交换面积, 减少传热的不可逆损失。其多空表面还具有良好的阻垢性能。
6异形管——针翅管
针翅管表面针状结构既扩大了传热面, 又能对流体造成很大扰动, 增强了边界层与主流的混合, 在对压降影响微弱的情况下极大的强化了传热效率, 针翅管的表面针状结构可以与相邻针翅管针状结构相互支持, 从而可以代替支撑板或者支撑杆材料, 针翅管普通应用在油品热交换器以及很多低传热膜系数、高粘度介质以及含尘高温烟气的热交换设备中。
7管内插件
通过在管内插入纽带、螺旋线圈、螺旋片等插入件能够有效促进管内流体湍流, 提高传热系数, 并且能够有效降低热交换器壁温, 管内外温差, 从而强化传热。
8结语
结合管程强化传热技术的进步, 更多的强化传热技术手段逐渐被应用在更多的现实工程设备中, 在各行业热交换设备上, 强化传热技术将发挥其强大的优势。强化传热管极大地提高了热交换器的传热性能, 减小了热交换器所需的传热温差和压降损失, 提高了能源利用率, 简化紧凑了设备结构, 减少了设备材料成本, 结合国家推行的各种节能减排政策措施, 强化传热技术已经被国家、被企业重视, 进而与实际应用相结合, 实现其巨大的经济效益。
参考文献
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[6]高阳, 波节管换热器的强化换热分析2000.
高效换热 篇2
关键词： 低气压； 开缝翅片管换热器； 换热性能； 实验研究
中图分类号： TK 172文献标志码： A
文章编号： 1008-8857（2016）03-0181-05
Abstract： Heat transfer performance on the air side of split fin tube heat exchanger under different air pressures were tested by using the low pressure environment simulation device.Results showed that heat transfer coefficient and the sensible heat would diminish along with the air density under low pressure.Meanwhile，the Moisture content was increased，which would make the latent heat increased accordingly.And the latent heat would exceed the sensible heat when the air pressure was lower than 0.058 MPa.The heat exchange performance would drop 36.63% compared to the normal pressure when the air pressure was decreased to 0.04 MPa.
Keywords： low pressure； split fin and tube heat exchanger； heat transfer performance； experimental study
翅片管换热器由于制造简单、结构紧凑、适用范围广而广泛应用于制冷与空调设备中[1].而地区环境不同，换热器的工作能力随之发生变化.例如，从上海至拉萨的青藏铁路客车空调的实际运行过程中所经历的地区环境较为复杂，平均海拔相差4 km，对应的气压相差约26.8 kPa，因此，客车空调器的换热能力也会受到相应的影响.而在距地表20～30 km的平流层内，由于有着其他大气层环境所没有的稳定气象条件和良好电磁特性而定点悬浮了大量的飞行器[2-4].在平流层内，气压低至4 kPa，空气密度约是常温常压下空气密度的1/20，因此，换热器空气侧换热效率将大幅降低.而翅片管换热器的主要热阻集中在空气侧[5]，因此空气侧换热能力是影响换热器换热效率的关键.
目前，对翅片管换热器的研究工作主要集中在常压下换热器结构、翅片结构、来流空气状态等对换热器换热效率的影响.例如，李妩等[6]对我国空调行业几种常用的翅片管换热器换热性能进行实验研究，并得出雷诺数、翅片间距以及管排数对换热器空气侧换热性能影响的计算关联式；Wang等[7]对12种不同翅片管换热器样品进行测试，研究了翅片间距、管排数对换热性能的影响.而环境压力变化，特别是低气压状态下对换热器换热效率的影响机理尚缺乏相应研究.因此，本文利用低气压环境模拟装置对开缝翅片管换热器在不同大气压力下的换热性能进行实验研究，从而得出空调器在不同压力下制冷能力的变化情况.
1 测试装置与测试方法
本文所用低气压环境模拟装置由空气循环系统、冷却水系统以及控制与测试系统三部分组成.测试装置结构如图1所示.
测试过程中，利用变频风机控制实验段风速，风速利用孔板流量计以及压差传感器测量.为保持换热器在不同气压下空气温度和相对湿度基本不变，系统空气温度和湿度分别采用电加热器以及加湿器进行控制.换热器进、出口温度和湿度分别采用温湿度传感器测量.
实验所采用的开缝翅片管换热器结构参数如表1所示.
实验过程中将开缝翅片管换热器安装于低气压环境模拟装置内，利用电加热器模拟空调热负荷.实验中通过对蒸发器进、出口空气干球温度，相对湿度进行测量，确定送、回风含湿量，送、回风焓差.在送风口面积已知的情况下，通过对送风速度进行测试，从而确定送风量.由于系统是闭式循环风系统，因此，回风量等于送风量.测试过程为：在低气压环境模拟装置内，依次调节装置内部压力为0.10、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04 MPa，并对上述各物理量进行测量.
3 测试结果与分析
3.1 不同气压下空气侧换热系数变化
因为在一定压力范围内（绝对压力为0.01～1 MPa时），μ、λ以及Pr可以认为是与大气压力无关的常数[9]，将对文献[6]中的实验关联式推广至低气压范围.图2为不同气压下空气侧换热系数变化情况.
由图2可知，随着气压的降低，空气侧换热系数实验值与文献[6]中实验关联式的计算值均随之降低.在压力为0.09 MPa时，两者相差最大，为8.41%，说明实验值与计算值吻合良好；在压力为0.04 MPa时，空气侧换热系数与常压下相比下降了26.99%.这是因为随着气压的降低，空气密度降低，在空气流速保持不变时，Re降低，所以Nu随之降低，空气侧对流换热系数随之降低.因此，在低气压环境下，换热器换热能力降低，空调器制冷能力降低，如需要保持空调器制冷能力不变，可以采用提高迎面风速的方法，但是风速提高势必导致系统阻力增加，因此需综合考虑空调器换热效率与风速之间的关系.
3.2 不同气压下空气侧总换热量、显热换热量以及潜热换热量变化
图3为不同气压下空气侧总换热量、显热换热量以及潜热换热量变化情况.表2为不同气压下显热换热量以及潜热换热量占总换热量的比率.
由图3和表2可知，随着气压的降低，换热器总换热量逐渐降低，气压为0.04 MPa时，总换热量与常压下相比下降了36.63%；随着气压的降低，空气的密度降低，从而导致空气质量流量降低，显热换热量降低，气压为0.04 MPa时，显热换热量与常压下相比下降了65.01%；随着气压的降低，空气的含湿量增大，导致空气侧潜热换热量增大，当气压为0.04 MPa时，潜热换热量与常压下相比增加了23.44%，当气压降至0.058 MPa以下时，空气侧潜热换热量将高于显热换热量，在气压为0.04 MPa，潜热换热量占据总换热量的62.49%.如果气压进一步降低，潜热换热量比率是否继续上升以及上升到何种程度仍需要进一步研究.
4 结 论
当大气压力降低时，空气密度减小，空气质量流量减小，翅片管换热器空气侧对流换热系数减少，总换热量、显热换热量均减小，在气压为0.04 MPa时，与常压下相比，空气侧对流换热系数下降了26.99%，显热换热量下降了65.01%.又由于随着气压的降低，空气含湿量增加，导致在气压为0.04 MPa时，与常压下相比，潜热换热量增加了23.44%，总换热量下降了36.63%，因而，随着气压降低，翅片管换热器换热效率降低，空调器制冷能力降低，在对高原地区空调的设计过程中以及低压低温风洞装置设计过程中，需考虑气压对空调换热器的影响.
参考文献：
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新型高效换热器国产化 篇3
近日从四川川润动力设备有限公司传出消息, 由该公司与大连理工大学、四川理工学院技术合作研发的高效节能多股流缠绕式换热器, 打破了该产品长期被国外垄断的局面。该项目已进入了产业化阶段, 实现产值1540万元, 利税210万元, 预计3年后产值将达25000万元以上。
此前, 高效节能多股流缠绕式换热器产品的关键技术主要掌握在德国。该项目采用新型绕管工装绕制管系, 对工艺计算技术及换热技术等关键核心技术进行消化吸收和再创新, 形成了一种新型高效换热器产品和一整套成熟的工艺制造技术。该产品具有同等体积换热面积大、可同时允许多种介质进行相互换热等特点, 提高了换热效率, 节省了空间, 降低了成本。该项目已申请3项发明专利, 1项实用新型专利, 并与北京迪威尔石油天然气技术开发公司签订了新疆呼图壁储气库8台设备供货协议, 并完成交货。
高效节能多股流缠绕式换热器产品主要应用于石油及天然气开采、大化肥、煤化工、空冷及LNG制备等领域。
一种高效换热器的管板设计 篇4
固定管板换热器因其结构简单、紧凑, 在相同的壳体直径内, 排管数最多, 旁路最少;每根换热管都可以进行更换, 且管内清洗方便等优点而得到广泛应用, 在实际项目中, 经常会遇到很多特殊形式的固定管板换热器, 比如当换热管与壳体的金属平均壁温相差较大时会产生过高的温差应力, 需在壳体上设置膨胀节, 但壳程压力受膨胀节强度的限制又不能太高。GB151-1999《管壳式换热器》中关于管板的计算方法仅考虑不布管区较小的情况, 对于管板周边不布管区无量纲宽度 (k>1) 的结构或者是管板中间带有大圆管支撑结构, 导致管板大面积区域没有布管, 因不布管区改变了管板的受力状态, 使得受均布开孔削弱的管板受力不均布, 另外还有很多固定管板换热器管板与筒体采用非等径连接结构, 对管板的计算带来很大的困扰。在某项目中遇到一种高效换热器, 因管壳程压力较高, 温差较大, 换热管采用缠绕式专利结构, 两管板中间有一根外径为180mm的管子支撑, 管板通过椭圆封头与壳程焊接, 结构参数和设计条件详见表1和表2所示, 结构如图1所示, 该管板计算与常规的固定管板换热器有很大的差别, 如果采用GB151-1999《管壳式换热器》中的计算方法会带来很大的误差。针对上述问题, 本文以该高效换热器为例, 采用有限元分析方法, 应用ANSYS有限元软件对该换热器管板进行详细的应力计算, 确保该换热器能够安全可靠的运行。
1 设计和结构载荷参数 (见表1、表2)
2 有限元模型的建立
换热器管板结构及布管如图2所示, 根据换热器和管板的结构和受力状况, 可建立1/4模型, 对管板应力进行精确的有限元分析计算, 模型如图3所示。在换热器管板应力分析计算过程中, 考虑了六种组合工况进行计算, 分别是:1) 只有壳程设计压力, 管程设计压力为零, 不计膨胀变形差。2) 只有壳程设计压力, 管程设计压力为零, 同时计入膨胀变形差。3) 只有管程设计压力, 壳程设计压力为零, 不计膨胀变形差。4) 只有管程设计压力, 壳程设计压力为零, 同时计入膨胀变形差。5) 壳程试验压力工况。6) 管程试验压力工况。其中换热管外压失稳、换热管与管板连接强度计算等应参照GB151-1999《管壳式换热器》中的相关规定。
3 应力分析
通过六种工况的应力分析计算, 由于篇幅有限, 只列出其中一种工况的计算结果, 有限元分析结果如图4所示:根据所有计算结果对该管板分析如下:
图1换热器结构简图1:管箱, 2:封头, 3:筒体
(1) 由于该管板采用凸肩与管箱壳体连接, 管板应采用锻件, 避免局部结构分层缺陷的存在, 凸肩与管板连接处属于总体结构不连续, 应力分析表明, 因压力较高, 导致满足变形协调而产生的局部应力很大, 此处圆角应不小于R15mm。高应力区容易出现表面裂纹, 所以应对该圆角处进行100%表面检测。
(2) 因换热管采用缠绕式专利结构, 在管壳程温差很大时, 换热管膨胀量对管板的作用很小, 可以忽略不计膨胀变形差的影响, 此结构特别适合管程是高压低温的工况, 可以用到设计温度为-196℃, 压力为100MPa的碳钢和不锈钢等材质的场合, 已在空气分离装置中得到广泛应用。
(3) 管板上下表面的温差, 对管板、换热管、壳体、管箱的应力都有影响, 应准确分析计算管板布管区的温度场。特别是管板越厚, 热应力分布产生的温差应力越大。
(4) 局部应力强度评定按JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》中应力分类的评定方法, 一次总体薄膜应力强度SI=Pm≤Sm, 一次局部薄膜应力强度SII=PL≤1.5Sm, 一次薄膜加一次弯曲应力强度SIII=PL+Pb≤1.5Sm, 一次加二次应力强度SⅣ=PL+Pb+Q≤3Sm。一次弯曲应力不大于1.5倍的设计应力强度, 二次弯曲应力不大于3倍的设计应力强度。其中温差与壳程设计压力、温差与管程设计压力工况应按二次应力考虑。
(5) 由于管板的弯曲变形, 使得管板边缘的换热管弯曲, 从而使换热管轴向压缩刚度下降, 在仅有壳程正压力作用下, 换热管受拉不会失稳, 在仅有管程正压力作用下, 管板变形导致中间区域的换热管处于受压状态, 应校核其稳定性, 所以对于有中间支撑管的换热器, 应考虑其是否会失稳。
4 结语
(1) 本文综合考虑了管壳程设计压力和温差应力的影响, 为该特殊管板的设计提供了安全依据。
(2) 通过有限元分析计算, 对该管板的应力状态有个全面的掌握, 对其结构和强度设计有很大的指导意义。
参考文献
[1]JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》 (2005年确认) [S].
高效换热 篇5
1 蓄热式高效换热燃烧技术
1.1 蓄热高效换热燃烧技术工作原理
全新型蓄热式高效换热燃烧技术是利用蓄热室换热原理, 使低温空气从鼓风机通过空气管道由换向系统进入蓄热室 (或蓄热烧嘴) 进行蓄热, 预热的高温空气通过蓄热体进入炉内与燃气混合燃烧;与此同时燃烧产生的烟气流经另一个配对的蓄热室 (或蓄热烧嘴) , 此时蓄热体储存热能, 降低烟温至低于150℃左右, 低温烟气流经换向系统借助引风机的作用排出。这个过程中换向装置以一定频率进行切换 (3 0~200 s) , 使得成对的蓄热室 (或蓄热烧嘴) 处于蓄热和放热的交换工作状态, 进而节约能源, 降低污染物的排放。
1.2 我国蓄热高效换热燃烧技术的发展
在我国, 加热炉使用的燃料多为低热值燃料 (如高炉煤气) , 这样就出现了大量的高炉煤气被放散的现象, 能源损失严重。80年代中后期, 我国热工科研人员开始研究蓄热换热燃烧技术, 结合我国工业生产实际情况, 着力进行陶瓷小球蓄热体燃烧技术的研究和应用, 同时结合此项技术在国际上应用产生的不足开发研究成适合我国加热炉独具特色的蓄热式换热燃烧技术。
国内经济飞速发展, 而在经济发展中工业产业占有重要的地位, 节能环保又逐渐成为工业领域的重要课题。国内多家公司纷纷开展蓄热式燃烧技术的研究和推广应用, 成功研制了新型节能蓄热燃烧器并加强了换向系统自动化控制水平。此外, 蓄热式加热炉通常采用的加热方式有空气单蓄热和空煤气双蓄热两种, 我国的热工工艺人员更在加热炉上研发使用了常规和双蓄热组合式的燃烧技术, 并在某钢厂的生产实践中取得了良好的节能效果。蓄热式燃烧技术的逐渐成熟, 使得在蓄热式换热燃烧技术方面形成了比较完善的设计理念和设计思想, 蓄热式技术在加热炉上的应用实现了高产量、低热耗、少污染和高自动化的水平。
2 关于蓄热体
蓄热式换热燃烧技术的重要组成部分就是蓄热体, 蓄热体的选择对于工业炉的节能效果有着至关重要的作用。随着钢铁工业的发展和工业炉设备在生产实践中的技术革新, 国际上常用的蓄热体主要有陶瓷小球蓄热体和蜂窝式蓄热体。下面我们从3个重要部分对两种蓄热体在加热炉上的使用效果进行对比介绍。
2.1 通过蓄热体的透热程度分析蓄热能力
小球蓄热体通常为Φ12~20 mm球面体, 以Φ15 mm小球蓄热体为例, 其透热深度是7.5 mm;蜂窝式蓄热体多为密布细小孔道的立方体, 以100×100×100 mm规格24×24孔、孔壁厚度为0.7 mm的蜂窝式蓄热体为例, 其透热深度仅为0.35 mm;二者相差21倍多。在正常的换热周期内, 蓄热体表面热流强度变化幅度很小, 假定表面热流强度不变的情况下, 蓄热体的蓄热深度越小, 透热效果越好, 蓄热能力就越好, 就越能够发挥蓄热体的蓄热作用。
2.2 配合蓄热体使用的换向系统和换向时间
小球蓄热体通常采用集中换热, 如果换向时间为60 s, 在一个换向周期内, 使用小球蓄热体的加热炉换向时炉内熄火时间约10 s左右, 占换向周期时间的6%;然而当蜂窝式蓄热体也采用集中换向时, 由于换向周期短, 熄火时间就占换向周期时间的30%, 但是以我公司为例, 实际生产中通常采用蜂窝式蓄热体全分散换向控制, 技术先进, 蓄热效果良好, 但阀数量多, 系统复杂。
2.3 蓄热体的阻力损失
对于陶瓷小球蓄热体组成的蓄热室而言, 小球间缝隙有大有小, 有宽有窄, 是不规则的。当高温烟气或被预热的空气流过这些堆积的小球时形成涡流状态, 其局部阻力损失和摩擦阻力损失就大大增加。
对于蜂窝式蓄热体组成的蓄热室而言, 其形状使气体的流通通道是一个个直直的格子通道, 具有一定的规则性和一致性。当气体流过这些笔直的通道时形成层流状态, 其局部阻力损失和摩擦阻力损失就大大减小。
在实际生产和使用中, 蓄热体的比表面积、传热效率、耐热温度、抗烧性及积渣程度等都影响着蓄热体的使用情况, 我们要根据不同炉型和不同的工艺需要选择合适的蓄热体。
3 蓄热式高效换热燃烧技术的节能效益
21世纪, 我国钢铁工业面临的能源形式十分严峻, 节约能源, 提高燃料利用率, 减少热损失是钢铁行业的发展方向, 蓄热式加热炉的发展成为一项必不可少的重要节能技术。
从长期的生产和实践中可以看出, 采用蓄热式燃烧技术后加热炉的排烟温度低于150℃, 烟气的物理热得到很好的回收利用, 因而与常规余热回收工业炉相比其节能潜力巨大, 特别是对低热值燃料 (如高炉煤气) , 采用单蓄热燃烧方式燃料节约率能达到25%以上, 而采用双蓄热燃料节约率更达到了45%以上之多, 换言之向大气环境排放的CO2量就大大的降低, 大大缓解了大气的温室效应, 达到了保护环境, 节能减排的预期。同时我国钢铁企业高炉煤气平均放散率约为13.72%, 如果将放散的高炉煤气全部加以利用的话, 相当于每年节约260万吨标准煤, 可见新技术带来的效益可观。
综上高效蓄热式换热燃烧技术的优势可以简单归纳为:
(1) 炉温均匀, 加热质量好。
(2) 最终排烟温度低, 节能效果好, 燃耗低。
(3) 烟气中NOx含量低, 环境污染小。
(4) 燃烧噪音低, 氧化烧损少。
(5) 适用于老旧炉子改造, 产量提高, 成本降低, 效果良好。
摘要：蓄热式高效换热燃烧技术是热工领域的先进技术, 它不断的发展和技术的革新满足了我国当前资源和环境的要求, 更从根本上降低了加热炉的排烟温度, 提高了加热炉的燃料节约率和能源利用率, 既减少了大气污染物的排放, 又节约了能源。
关键词：蓄热式换热,蓄热体,节能环保
参考文献
[1]王秉铨.工业炉设计手册[M].机械工业出版社.