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提高換熱器換熱性能的途徑傳熱方程是Q = KAΔt,很多研究者研究的主題方向是提高傳熱系數K。對強制循環空氣冷卻器,采取有效措施降低空氣側的傳熱熱阻或在制冷劑側采用選擇供液方式,控制供液量,或采用傳熱管可明顯提高傳熱系數。另外提高流體的流速可以增大傳熱系數,但流動阻力也相應增大,因此通過增大流體的流速以增強傳熱系數K 有一定的限度。此外增強傳熱可通過增加傳熱面積實現,但增加傳熱面積不應靠加大整體設備的尺寸來實現,而應從設備的自身結構來考慮。
增加傳熱面積總體上分為兩種途徑:管外表面的擴大和管內表面積的擴大。
目前管外表面積的增加主要是在管外加翅片或擴展表面即肋化表面,它是通過附加肋片擴大傳熱面積來減少對流換熱熱阻,從而達到強化傳熱的目的。
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可通過下列途徑來增大設備單位體積的有效傳熱面積:
①傳遞面采用擴展面,如在對流傳熱系數較小一側的熱傳遞表面上附加翅片、筋片、銷釘等;
②增大原有熱傳遞表面,如將表面處理成憎水性覆蓋層、多孔性覆蓋層、雙波紋狀管等
③在換熱器中管子的強化方面主要是異型管的開發,從而達到增加傳熱面積的目的。異型管的種類包括螺旋槽紋管、橫紋槽管、縮放管、波節管、旋流管、粗糙表面管、螺旋扁管。
管式爐對流室爐管內介質的傳熱系數一般都遠大于管外煙氣的傳熱系數。釘頭管和翅片管就是用來強化管外對流傳熱的。為了避免過多積灰而影響傳熱效果,除必燒油和油氣混燒時應設置吹灰器外,還應按照表-1的使用范圍正確選用釘頭管或翅片管。必須說明的是對流室煙氣入口處的2-3排爐管,既接受輻射室的輻射傳熱,又吸收高溫煙氣的對流傳熱,爐管表面熱強度很高,有時甚至超過輻射管的熱強度。這兩三排爐管通稱為遮蔽管,只能采用光管,而不得采用釘頭管和翅片管。
表1 釘頭管和翅片管使用范圍
釘頭和翅片的材質應根據計算的釘頭和翅片尖端溫度按表-2選用。另外還應考慮釘頭和翅片材質的熱膨脹系數應與爐管相同或相近,以避免多次開停工后釘頭或翅片從管壁剝離。
表2 釘頭和翅片材料高使用溫度
釘頭與爐管的焊接一般采用埋弧火花焊或電阻焊。翅片與爐管的焊接一般采用高頻焊或釬焊。當爐管材質是鉻鉬鋼或釘頭、翅片是鉻鉬鋼和鉻鋼時,應采用焊前預熱和焊后保溫緩冷的措施,以避免焊根開裂。由于釘頭焊接時的熱應力較大,當管內被加熱的是高腐蝕性介質時,釘頭管焊接完畢后應進行應力退火處理。
釘頭管和翅片管制造完畢后應進行強度水壓試驗,由于釘頭和翅片與爐管焊接時可能損傷爐管外壁,因此計算釘頭管和翅片管的水壓試驗壓力時,管壁厚度應減去一個減薄的厚度δ:埋弧火花焊釘頭管δ=3mm;高頻焊翅片管δ=1.5mm。
管子兩側的換熱系數如果相差很大,則應該在換熱系數小的一側加裝翅片。
:鍋爐省煤器,管內走水,管外流煙氣,煙氣側應采用翅片。
:空氣冷卻器,管內走液體,管外流空氣,翅片應加在空氣側。
:蒸汽發生器,管內是水的沸騰,管外走煙氣,翅片應加在煙氣側。
應注意,在設計時,應盡量將換熱系數小的一側放在管外,以便于加裝翅片。
如管子兩側的換熱系數都很小,為了強化傳熱,應在兩側同時加裝翅片,若結構上有困難,則兩側可都不加翅片。在這種情況下,若只在一邊加翅片,對傳熱量的增加是不會有明顯效果的。
:傳統的管式空氣預熱器,管內走空氣,管外走煙氣。因為是氣體對氣體的換熱,兩側的換熱系數都很低,管內加翅片又很困難,只好用光管了。
:熱管式空氣預熱器,雖然仍是煙氣加熱空氣,但因煙氣和空氣都是在管外流動,故煙氣側和空氣側都可方便地采用翅片管,使傳熱量大大增加。
如果管子兩側的換熱系數都很大,則沒有必要采用翅片管。
:水/水換熱器,用熱水加熱冷水時,兩側換熱系數都足夠高,就沒有必要采用翅片管了。但為了進一步增強傳熱,可采用螺紋管或波紋管代替光管。
:發電廠冷凝器,管外是水蒸汽的凝結,管內走水。兩側的換熱系數都很高,一般情況下,無需采用翅片管。
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