浅谈换热管的优化及传热性能的综合强化

摘要：波绞管换热器是应用强化传热原理和优化换热管综合性能而推出的新型高效传热热交换设备。是一种高新技术的强化传热节能型新产品。

关键词：湍流边界层强化传热。波纹换热管传热系数

波绞管换热器是应用强化传热原理和优化换热管综合性能而推出的新型高效传热热交换设备。是一种高新技术的强化传热节能型新产品。本高新技术的推出形成了一整套强化传热机理理论，有传统壳管式换热器不可比拟的性能优势，同时促进并实现了换热设备的更新，它是以薄壁不锈钢等金属材料的波纹换热管束代替直管换热管束，修正内部结构，依据压力容器等相关国家专业标准设计研制而成。本产品已经在电力供热领域得到了成熟的应用和推广。

1.技术分析

传热温差主要决定于冷、热两种介质的温度条件，若系统情况允许应尽量选择逆流，但一般已经为生产操作条件所确定；本产品换热管代替原等直径光管.在保证管束排列的基础上不仅增加了传热面积，更主要的是激发流体湍流的流动效果，提高传热系数是本产品强化传热的重点，应对传热效率和综合经济效益起着关键性作用。

1.1介质流动状态的强化

壳管式换热器的换热管均为平滑壁面的直管，由于管内流体与壁面的粘接(粘性)作用，在流体与壁面的接触处形成具有层(滞)流状态的边界层。当流体进入直管初始时流速均匀，随着介质的流动边界层厚度增加且边界层内流速逐渐减小直至为零，同时随着边界层厚度的逐渐增加管中心部位的轴向流速也逐渐增大，而当流速增大到一定程度时流动即由层(滞)流状态转变为湍流状态。

1.2换热管的优化形状及传热性能

经过大量实验和实际应用得出核心元件(换热管)的优化形状是保证强化传热的主要条件。形状的选择是基于以较小的流速激发湍流并实现如下功能：

(1)由于换热管规律性的形状尺寸，使管内介质流动状态的改变不需要大的雷诺数(即流速较低)，流阻较小，所以介质的任意扰动状况使流体不能形成与轴线平行的流股，进而流体介质的温度，密度、粘性分布及杂质含量沿径向都是均匀的，强化了换热管的热工性能。

(2)换热管的形状优化在保证正常情况下前后具有“引射放应”与“节流效应”，即两次变向扰动，故两区域全部内表面都受到流体介质的充分冲刷而不能形成边界层和污垢层，进而管内传热性能大幅度地提高。

(3)由于管壁很薄且具有曲率，排除了轴向与径向应力的集中使其具有温差作用下的可伸缩性，使表面污垢杂质容易脱落，因而换热管具有较强的防垢和自动除垢作用，所以进步强化了管内外的给给热性能。

1.3传热系数及其计算

传热系数K是换热器的主要性能指标，也是本高新技术强化传热的最主要实施点。由于换热管良好的传热性能，使热阻最大(约占全部热阻90％，是边界层外热阻的十几倍)的边界层处热阻急剧下降；又由于管内流体不断往复的任意扰动介质均匀分布，污垢杂质层也得到有效的破坏、从而明显地扩大了低热阻区域，使管内外传热得到了显著的强化，故而波纹管换热器的传热系数与壳管式换热器相比有大幅度的提高。

波纹管换热器是通过波纹管束管内流和管外横向流换热系数的实验数据研究，并把每一热阻都修正在同一参考面积下进行计算，在大量数据处理基础上综合各方面因素确定公式进行计算。

1.4波纹换热管的强度耐压等性能特点

本产品换热管除具有良好的传热性能外，还具有如下性能特点：

(1)薄壁换热成型具有严格的成形工艺和形状尺才，它是在无任何轴向拉(压)、即在自由状态下单波自动连续成形，所以其减薄量极小(远小于10％壁厚)，使整体管束具有良好的韧性、刚度和轴向伸缩性能特点，避免了换热管束在设备使用过程中由于振动等原因造成的与折流板等部件的碰撞磨损，同时能够补偿两换热介质之间的温差变形。

(2)薄壁换热器经过试验实测和本产品的应用，证明其具有一定的耐压能力，是一个性能良好的受压元件。

2.技术性能的综合强化

波纹管换热器的综合强化是从以下各方面得以保证的：

(1)根据设备运行技术参数，通过工艺选型计算确定本产品的规格和换热能力。工艺设计计算时有限制地增加管内流动速度促进湍流以提高传热效率；

(2)设计制造执行GB150-1998和GBl50-1999等压力容器国家标准及企业波纹换热管技术条件，并力求实换热管，管扳、法兰等硬件与流程、介质种类腐蚀程度、压力，温度等软件的良好配合。换热管通常选用不锈钢等，也可根据介质腐蚀情况及具体使用要求选用钢及钛合金管材等，

(3)波纹换热管自身的性能特点使其能补偿壳程与管程之间温差产生的轴向拉脱力，使壳体省掉了膨胀节装置，也所以从结构上避免了介质泄漏和介质混合现象。由于不锈钢换热管具有良好的韧性、耐压性能及抗腐蚀性能均使整体设备使用寿命大大提高；

(4)产品不仅换热效率高，而且从传热机理上几乎排除了堵塞和结垢的可能性，从而明显降低了设备的维修量，增加了使用寿命。由于单位换热管面积增加和传热系数的显著提高，故本产品整体设备结构紧凑，体积重量小，综合性能优良。

总之，波纹管换热器节能降耗强化传热，结构紧凑使用耐久，并兼顾了壳管式、板式等换热器的各自优点，其换热效率高，综合经济效益显著，是强化传热高新技术的节能型热交换设备，但也有待于进步技术完善和改进创新。