化工原理课程设计截稿.doc

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1、化工原理课程设计任务书1. 设计题目：设计一台换热器2. 操作条件：1) 苯：入口温度80,出口温度40。2) 冷却介质：循环水，入口温度32.5。3) 允许压强降：不大于50kPa。4) 每年按300天计，每天24小时连续运行。3. 设备型式：管壳式换热器4. 处理能力：109000吨/年5. 设计要求：1) 选定管壳式换热器的种类和工艺流程。2) 管壳式换热器的工艺计算和主要工艺尺寸的设计。3) 设计结果概要和设计结果一览表。4) 设计简图。（要求按比例画出主要结构及尺寸）5) 对本设计的评述及有关问题的讨论。二 、设计概述 热量传递的概念和意义传热的概念根据热力学第二定理，凡是存在温度的

2、差异，就必然导致热量自发地从高温处向低温处传递，这一过程称为热量传递过程，简称为传热。传热的意义在化工生产中，众多物料的加热与冷却、高温或低温操作设备的保温、以及废热的回收等都是传热过程，许多单元操作如蒸发、精馏、干燥、吸收等无不直接或间接与传热有关。所以传热是最常见的重要单元操作之一。归纳起来化工生产中传热问题有以下几类：为使物料满足生产规定的操作温度需要加热或冷却；为减少热（冷）量的损失需要保温；为节能的需要对热（冷）量进行回收利用。传热的方式根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：传导、对流和热辐射。 热传导（又称导热）若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子

3、的热运动而引起的热量传递称为热传导又称导热。热传导的条件是系统两部分之间存在温度差，此时热量将从高温部分传向低温部分，或从高温物体传向它接触的低温物体，直至整个物体的各部分温度相等为止。 热对流流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。热对流仅发生在流体中。在流体中产生对流的原因有二：一是因流体中各处的温度不同而引起密度的差别，使轻者上浮，重者下沉，流体质点产生相对位移，这种对流称为自然对流；二是因泵（风机）或搅拌等外力所致的质点强制运动，这种对流称为强制对流。 热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。所有物体都（包括固体、液体和气体）都能将热能以电磁波形式发射出

4、去，而不需要任何介质，也就是说它可以在真空中传播。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果称为辐射传热。由于高温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而使净热量从高温物体传向低温物体。辐射传热的特点是：不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移，即在放热处，热能转变为辐射能，以电磁波的形式向空间传递；当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被部分地或全部地吸收而转变为热能。实际上，上述三种基本传热方式，在传热过程中常常不是单独存在的，而是两种或三种传热方式的组合，称为复杂传热。 换热器的概念和意义换热器的概念“换热器”这个词可用于各种类型的换热设备，但更确切的说常常是指两个工艺物流之间换热的设备。

5、换热器的意义工艺物流之间的热量传递是大多数化工过程中的一个重要组成部分，而换热器是实现传热过程的基本设备。换热器的类型换热器按其传热特征，可分为下列三类：间壁式这一类换热器的特点是冷热两流体间被固体壁面（传热面）所隔开，不相混合，通过间壁进行热量的交换。这一类换热器中以列管式换热器最为常用，将于下面重点介绍。下面介绍几种比较简单的间壁式换热器，在一定场合下，由于其结构简单，使用方便，也还经常用到。 夹套式。夹套式换热器主要用于反应器的加热或冷却，如图1所示，夹套安装在容器外部，通常用钢或铸铁铸成，可以焊在器壁上或者用螺钉固定在反应器的法兰盘或者器盖上。在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部连接管进入夹

6、套，冷凝水由下部连接管流出，在进行冷却时，则冷却水由下部进入，而由上部流出。加套式换热器由于传热面积的限制，常常难以满足需要及时移走大量反应热的换热要求，这时就需要在反应器内部加设内冷管，以保证一定的温度条件。有时为提高夹套一侧的传热系数（通冷却水时），也可在夹套中加设挡板，这样可使冷却水流向一定，并可提高流速，从而增大传热系数。图1 套管式换热器 沉浸蛇管式。蛇管多以金属管子绕成，或制成适应容器情况的形状，沉浸在容器中，两种流体分别在管内、外进行换热。图2为常见的几种蛇管的形状。这种换热器的优点是结构简单，便于防腐，能承受高压，但由于容器体积比管子的体积大得多，因此管外流体的传热膜系数较小。

7、如能减小管外空间或加搅拌装置，则传热效果可以提高一些。图2 蛇管的形状 喷淋蛇管式。这种型式的换热器多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排的固定于钢架上，如图3所示，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下，传热效果比沉浸式为好，且便于检修和清洗，因此对冷却水水质的要求也就可以视具体条件而适当降低。其缺点是喷淋不易均匀。图3 喷淋式换热器 套管式。将两种直径大小不同的直管装成同心套管，并可用肘管把管段串联起来，每一段直管称作一程，如图4所示，即为套管式换热器。进行热交换时使一种流体在小管内流过，另一种则在套管间的环隙中通过。因之，两种流体都可达到较高的流速，从而提高传热图4 套管

8、式换热器系数，而且两流体可始终以逆流方向流动，平均温度差亦为最大。由于结构简单，能耐高压，应用灵便，可根据需要增加或拆减套管管数，故对流量不大，所需传热面积不多的场合，应用较多。直接接触式和上一类相反，冷热两流体在这类换热器中是以直接混合的方式进行热量交换的。这种换热方式的优点是传热效果好，设备简单，但其仅对于工艺上允许两流体相互混合的情况。蓄热式蓄热式换热器有称蓄热器，主要由热容量较大的蓄热室构成，室中可充填耐火砖等填料。当冷热两流体交替地通过同一蓄热室时，蓄热室即可将得自热流体的热量传递给冷流体，达到换热的目的。这类换热器结构简单，且可耐高温，常用于高温气体热量的利用或冷却，但设备体积庞大

9、，且不能完全避免两种流体的混合。列管式换热器列管式换热器或称壳式换热器，是目前应用最广泛的一种换热设备。和前面提到的各种换热器相比，最突出的一点就是单位体积设备所能提供的传热面积要大得多。传热效果也较好。由于结构坚固，而且可以选用的结构材料范围为也比较宽广，故适应性较强，操作弹性较大。尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。列管式换热器的结构列管式换热器主要是由壳体、管束、管板和顶盖等部件构成，如图5所示。壳体多为圆柱形，内装平行管束，管束两端固定在管板上，顶盖与壳体用法兰连接。进行热交换时，一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管束与壳体的间隙中流动，其行程称为壳程，管束的壁面即

10、为传热面。图5 列管式换热器流体只在管程内通过一次的称为单管程，在壳程内只通过一次的称为单壳程。有时流体在管内的流速过底，则可在顶盖内设置挡板，把管束分成几组，流体每次只流过部分管子，而在管束中多次往返，便称为多管程。若在壳体内安装与管束平行的纵向挡板，使流体在壳程内多次往返，便称为多壳程。为提高管外流体与管壁间的传热系数，在单壳程的壳体内可安装一定数量的与管束相垂直的横向挡板，称为折流板。这样既可提高流体速度，又可改变流动方向迫使壳程流体循规定的路径流过，多次地错流流过管束，有利于管外传热系数的加大。此外，挡板还可减小流动的死区，防止污垢的沉积，限制管束的振动和弯曲，起到支撑板的作用。然而，

11、增设挡板会引起壳程流动阻力的增加，提高了动力消耗。 在生产上常用的挡板型式有圆缺（或弓形）挡板和圆盘形挡板两种，如图6所示，其中尤以前者采用较多。图6 折流挡板列管式换热器的型式列管式换热器操作时，由于两流体的温度不同，管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温度差较大（50以上）时，就可能由于热应力而引起设备变形，甚至弯曲或破裂，因此，就必须从结构上考虑热膨胀的影响，采用各种补偿的办法。根据补偿方法的不同，列管式换热器有下面几种情况。 固定管板式。当冷热两流体温差不大时，可采用固定管板式，如图7所示，即两端管板和壳体是连为一体的。这种换热器的特点是结构简单，制造成本

12、低。但由于壳程不易清洗和检修，管外物料应是比较清洁，不易结垢的。对于温差稍大而壳体承受压力不太高时，可在壳体加上热补偿结构，以消除热应力。图8即为壳体上具有补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器。图7 固定管板式换热器图8 具有补偿圈的固定管板式换热器浮头式换热器。这种换热器中两端的管板，有一端是不与壳体相连，可以沿管长方向自由浮动的，故称浮头。这样，当壳体和管束因温差较大而膨胀不同时，管束连同浮头就可在壳体内自由伸缩，从而解决热补偿问题。而另外一端的管板又是以法兰与壳体相连接的，因此，整个管束可以由壳体中拆卸出来，便于清洗和检修。所以，浮头式热器是应用较多的一种，但结构比较复杂，金属耗量多，

13、造价也较高。图9即为一双管程浮头式换热器。图9 浮头式换热器U形管式换热器。图10所示为一U形管式换热器，每根管子都弯成U形，进出口分别安装在同一管板的两侧，并将封头以隔板隔成两室或三室，使管程分别为两管程或四管程。这样，每根管子都可以自由伸缩，且与其它管子和外壳无关。从结构上看，较之浮头式要简单些，同样可用于高温高压。但管程不易清洗，可用于清净的物料，及高压气体的换热。图10 U形管式换热器三、设计方案简介确定设计方案 间壁式列管换热器设计时考虑的问题流体流径的选择选择流程的一般原则：1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，因为管内清洗比较方便。2) 有毒流体宜走管内，使泄漏机会较少。3) 被冷

14、却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，增强冷却效果。流体流速的选择增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数。减少污垢在管子上沉积的可能，即降低了污垢热阻，使传热系数增大，从而减少换热器的传热面积。但是流速增加，又使流动阻力增大，动力消耗就增多，所以适宜的流速要通过经济衡算才能确定。根据下面常用的流速范围结合经济衡算，确定流体的流速表1 管壳式换热器中常用到的流速范围流体的种类一般流体易结垢液体气体流速/（m/s）管程0.531530壳程0.21.50.5315表2 管壳式换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度液体名称乙醚、二氧化硫、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮安全允许速度/（m/s）1231

15、0流体两端温度的确定一般来说，设计时冷却水两端温度差可取为510。折流挡板安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。最常用的为圆缺型挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10%40%，一般取20%25%，过高或过底都不利于传热。两相邻挡板的距离（板间距）h为外壳内径D的0.21倍。板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。挡板切去的弓形高度及板间距对流体流动的影响如图11所示。（a）缺口高度过小，板间距过大（b）正常（c）缺口高度过高，板间距过小图11 挡板切口高度及板间距的影响流体阻力计算换热器

16、管程及壳程的流体阻力，常常控制在一定允许范围内。若计算结果超过允许值时，则应修改设计参数或重新选择其它规格的换热器。管程压力降。可按一般摩擦阻力计算式求得。但管程总的阻力应是各程直管摩擦阻力、每程回弯阻力以及进出口阻力三项之和。而对比之下常可忽略不计。因此可用下式计算管程总压力降：式中 ，分别为直管及回弯中因摩擦阻力引起的压强降，Pa； 结垢校正因数，量纲为1，对的管子取1.4，对的管子，取1.5； 管程数； 串联的壳程数。壳程压力降。对于壳程压力降的计算，由于流动状态比较复杂，提出的计算公式较多，所以计算结果常相差许少。下面为埃索法计算壳程压力降的公式：式中 流体横过管束的压强降，Pa； 流

17、体通过折流挡板缺口的压强降，Pa； 壳程压强降的结垢校正因数，量纲为1，液体可1.15，气体可取1.0。主要构件封头：封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体（一半小于400mm），圆形用语大直径的壳体。缓冲挡板：为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料口装设缓冲挡板。导流筒：壳程流体的进出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间，为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒。放气孔、排液孔：换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以除去不凝性气体和冷凝液等。接管：换热器中流体进出口的接管直径按下式计算，即： 式中： 流体的体积流量，/s；接管中流体的流速，m/s。流速的经验值为： 对液体 =

18、1.52m/s; 对蒸汽 =2050m/s 对气体 =(1520)p/(p为压强，为密度)材料选用 换热器材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。金属材料：碳钢、低合金钢、不锈钢、铜和铝。非金属材料：石墨、聚四氟乙烯、玻璃。不锈钢和有色金属材料抗腐蚀性能好，但价格相对较高。四、物性参数及其选定定性温度冷却介质为循环水。入口温度为：35，根据前面的原则选定出口温度为：41 则有：苯的定性温度： 水的定性温度： 00根据化学工程手册.化工基础数据.化学工业出版社 分别查得在此条件下苯和水的物性为：表3 物性常数物性流体密度 比热粘度 导热系数苯838.71.8250.380.151水992

19、.44.1740.7280.626换热器选型传热量Q冷却水流量图12 图解壳程数换热器壳程数及流程换热器的壳程数。对于无相变的多管程的换热器壳程数的确定，是由工艺条件，即冷、热流体进出口温度，按逆流流动给出传热温差分布图如图11所示，采用图解方法确定壳程数。如图12可见，所用水平线数为1。故选取换热器的壳程数为1。流程确定。根据选择流程的标准综合考虑，可以确定苯走管程，冷却介质循环水走壳程。估算传热面积Sa.两流体的平均温度差。逆流时平均温度差为在列管换热器中由于加折流挡板或多管程，冷、热两流体并非纯逆流，以上应加以校正，其校正系数按以下步骤求得：由、及壳程查（夏清等.化工原理（上册）.天津：

20、天津大学出版社，2005 ）图 4-19（a）得：，于是得传热温差的校正值为：b.传热面积根据冷热流体在换热器中有无相变及其物性等，选取传热系数，于是可求所需传热面积为：换热器选型管程流体苯的体积流量：选用规格钢管，设管内的流速，则：单管程所需管子根数：管长 选取管束长，则管程数为故应选取管程数为6。根据以上确定的条件，参照列管式换热器标准，确定为F600-2.5-47.78型换热器，主要性能参数如下：壳体内径 公称压力 公称面积 管程数 管长 管子规格 管间距 管子总数 排列方式 实际传热面积若选择该型号的换热器，则要求过程的总传热系数为五、工艺计算管程和壳程流体流速及雷诺数管程：流通面积式

21、中 为总管数。流速式中 管程流速 管内雷诺数。式中 管内径，； 苯的平均黏度，。壳程：取折流挡板间距 壳程流通面积式中 壳体内径，； 管外径，。流速 由以上计算结果可知，两流体在换热器中流动均能达到湍流，有利于传热。核算压力降管程压强降取管壁粗糙度，由关系图中查得：，所以管程压强降其中，。壳程压力降其中，。管子为正方形斜转排列，。壳程流体摩擦因数 所以 计算表明，管程和壳程压强降多能满足题设的要求。核算总传热系数管程对流传热系数 壳程对流传热系数 由式计算，即取换热器列管之中心距。则流体通过管间最大截面积为管程中的苯被冷却，取。所以污垢热阻 管内、外侧污垢热阻分别取为总传热系数 管壁热阻可忽略

22、，则总传热系数为由前面的计算可知，选用该型号换热器时要求过程的总传热系数为，在规定的流动条件下，计算出的为，故所选择的换热器是合适的。安全系数为由校核可知，各项性能符合要求，换热能力可满足生产需要，所选换热器可以采用。六、设计结果一览表表4 设计结果一览表壳程（循环水）管程（苯）流量，/s18.38644.2052温度，（进/出）32.5/37.580/40物 性定性温度，3560密度，/m3992.4838.7比热，kJ/4.1741.8250.72810-30.3810-3导热系数kJ/m0.6260.151设备结构参数壳体外径，600台数1管径，壳程数1管长，m3.0管心距，25管数27

23、6管子排列传热面积，38.88折流挡板数19管程数6折流板距m0.15材质不锈钢主要计算结果壳程管程流速，m/s0.5610.6168污垢热阻,()/W2.01.7传热系数，W/（）4791.11026.3七、设备简图及工艺流程图图13 设备简图反应器换热器分离器吸收塔压缩机原料补充循环冷却水吸收剂图14 工艺流程图八、设计评述及讨论由于本次是我第一次做化工原理的课程设计，有许多地方不熟悉，对于我们这些只在书本上学知识的学生来说有些盲目，所选数据在刚开始总是不合适，通过多次选择才能达到要求。通过本次设计，使我认识到作为化工工艺专业的学生，不仅要学好化工原理这门专业课程，还要认真的学习一些相关的

24、内容，要对设备等相关内容有所了解，把理论与实践很好的结合起来，学以致用。在整个设计过程中要考虑很多问题，在换热器选型及核算总传热系数时，要考虑周全合理，否则将会导致实验结果与理论实际误差较大，不符合生产的要求。这就要求我考虑问题要全面详细，要多学各方面的知识并能充分利用，用知识更好地去解决问题。由于本次设计是工程方面的，因此在准确度上就没有纯理论的高，存在误差是在所难免的。如计算过程中数字的四舍五入逐渐积累了较大的计算误差等，但是只要我们在计算中保持高的精确度，这种误差可以大大地减小。通过此次试验我也使得化工原理上学的好多知识和实际得到了有机结合，例如在传热的强化上，我通过增加管程来提高流体的

25、流速，加剧了流体的湍动程度，使之与实际操作过程更加贴；还有就是适当的减少了换热器标准中的换热管数，使我设计的换热器的换热面积更加接近实际的传热面积。这些算是我在本次设计过程中的一点心得吧。另外由于是初次设计，有些地方难免考虑上有欠缺，我将会在今后的学习中逐渐完善。总之，在本次设计中我学到了很多知识，使我认识到理论于实践的结合有多重要，也使我认识到：在以后的学习工作中必须要理论联系实际，否则纯理论的东西在一定的情况下会给我们造成误导。所以理论联系实际是我们应该具备的必要素质。九、经验公式1.管程对流传热系数，可用迪特斯和贝尔特关联式：2.壳程对流传热系数，可用关联式计算：3.管程压强降可用：十、

26、参考文献夏清 陈常贵主编.化工原理（上册）.天津：天津大学出版社，2005大连理工大学化工原理教研室编.化工原理（上册）.大连：大连理工大学出版社.1993陈敏，吴惠芳，蔡伯钦，陈玉英编.化工原理（上册）.北京：化学工业出版社.1988廖传华等.工业化学过程与计算.北京：化学工业出版社.2005苏.迪特尼奥尔斯特戈主编.张琨等译.化工基本过程与设备设计教科书.北京：化学工业出版社.1988英R.K.辛诺特著.李全熙，虞廷华，盛若瑜，李世玉 译化学工程卷 SI单位. 北京：化学工业出版社.1989赵勇主编.工程制图基础.北京：清华大学出版社.北京交通大学出版社.2005附换热器的强化传热摘自中国

27、换热器网换热器的强化传热 所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积（F ）；加大传热温差；提高传热系数（K ）。 1 换热器强化传热的方式1.1 扩展传热面积F 扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。在扩展换热器传热面积的过程中，如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热量，不光需要增加设备投资，设备占地面积大、同时，对传热效果的增强作用也不明显，这种方法现在已经淘汰。现在使用最多的是通过合

28、理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备高效、紧凑的目的。 1.2 加大传热温差t 加大换热器传热温差t是加强换热器换热效果常用的措施之一。 在换热器使用过程中，提高辐射采暖板管内蒸汽的压力，提高热水采暖的热水温度，冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水，空气冷却器中降低冷却水的温度等，都可以直接增加换热器传热温差t。但是，增加换热器传热温差t是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段，使用过程中我们应该

29、考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。例如，我们在提高辐射采暖板的蒸汽温度过程中，不能超过辐射采暖允许的辐射强度，辐射采暖板蒸汽温度的增加实际上是一种受限制的增加，依靠增加换热器传热温差t只能有限度的提高换热器换热效果；同时，我们应该认识到，传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。所以，不能一味追求传热温差的增加，而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。 1.3 增强传热系数（K） 增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。换热器传热系数（K）的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定，换热器传热过程中的总热阻越大，换热器传热系数（K）值也就越低；

30、换热器传热系数（K）值越低，换热器传热效果也就越差。 换热器在使用过程中，其总热阻是各项分热阻的叠加，所以要改变传热系数就必须分析传热过程的每一项分热阻。如何控制换热器传热过程的每一项分热阻是决定换热器传热系数的关键。 上述三方面增强传热效果的方法在换热器都或多或少的获得了使用，但是由于扩展传热面积及加大传热温差常常受到场地、设备、资金、效果的限制，不可能无限制的增强，所以，当前换热器强化传热的研究主要方向就是：如何通过控制换热器传热系数（K）值来提高换热器强化传热的效果。我们现在使用最多的提高换热器传热系数（K）值的技术就是：在换热器换热管中加扰流子添加物，通过扰流子添加物的作用，使换热器传

31、热过程的分热阻大大的降低，并且最终来达到提高换热器传热系数（K）值的目的。 2 .换热器上扰流子强化传热的使用 换热器在传热过程中，影响换热器传热系数（K）的主要因素包括：换热器内、外部液体的流动状态，换热面的形状及尺寸等。为了提高换热器的传热系数，强化换热器的传热效率，国内外出现了多种强化元件及强化措施，主要包括在换热器中使用螺纹管、横纹管、缩放管、大导程多头沟槽管、整体双面螺旋翅片管以及在换热管中加扰流子来强化管内换热等。其中，在换热管中加扰流子添加物进行强化传热在工业上已使用了多年，它可以使换热器总的传热系数出现明显的提高，可以大大节省换热器的传热面积，降低设备重量，节约大量金属材料，它

32、的许多优点已日益引起人们的重视。 将对换热器扰流子强化传热的原理及特点作以下详细论述 2.1 扰流子强化元件的种类和共同特点 扰流子强化元件有多种形式，现在使用最多的包括:金属丝制元件、金属螺旋圈、盘状构件、麻花铁、翼形物等。这些扰流子强化元件有一个共同的特点就是：在换热器换热管中这些扰流子添加物可以有效降低换热器传热过程中的总热阻，大大地提高换热器的传热系数（K）值，对换热器的传热效果增强明显。2.2 扰流子强化传热的原理 研究表明，加入到换热器换热管中的扰流子添加物可以使换热管内流动的液体产生明显的螺旋运动。换句话说，在换热器换热管中加入扰流子添加物，就相当于在换热器换热管中加入空隙率95

33、%的多孔体，当换热器换热管中流动的液体流经这些扰流子添加物以后，流道内将产生明显的弥散流动效应，在低雷诺数下（Re300），由于弥散流动的促进，使换热器换热管中的液体转变为湍流。湍流状态的流动液体其总热阻是所有流态液体中最小的，由于换热器换热管中湍流状态的流动液体热阻非常小，所以，换热器的传热系数（K）值将大大增加。在高的传热系数（K）值状态下，换热器中扰流子强化传热的效果就会非常明显。当然换热器中的扰流子对流经换热管的不同介质，其强化传热的效果是有区别的。并且，换热管内扰流元件的形状和在传热面上的安装方法，对传热和流阻都有影响，一般可通过实验确定其最佳形式。例如试验表明：在管道的全长填满螺旋

34、形金属丝与间断设置螺旋圈相比，后者在传热性能不变时可减小流阻。 关于扰流子强化传热的原理，还有许多其它见解，有的专家认为扰流子强化传热是基于加大了传热面积和粗糙度，这无疑是正确的。但试验表明，即使不紧贴壁面安装，则轴向固定在流道中心的扰流子也能使值加大，有人解释为填充物能产生持续不断的涡流，并沿流向产生一个中心旋转流，在离心力的影响下使管中心的流体与壁面边界层流体充分混合。从而减薄了边界层，强化了传热。总的看，有关扰流子强化传热的理论还不完备和一致，一些数据仅来自实验，有待于更多的科研人员开发和利用。2.3 扰流子强化传热的特点在换热器换热管中加扰流子添加物，最明显的特点就是大大增强了换热管内

35、侧的换热系数。试验表明，在换热器换热管中加扰流子添加物，换热管内侧换热系数可比光管提高3.5倍以上。 扰流子强化传热除了减少金属消耗，它还可以提高工厂热能利用效率，降低能耗。目前，一些设计追求高热强度，而管壳式换热器由于传热效率低，设计中采用的主要手段是选择提高对数平均温差，这要导致能耗的大幅度增加。以炼油厂常减压装置为例，传热温差为60，以热冷流体260200计算，传热占热流21.5%，如果将温差降至33，传热损可降至10%采用扰流子强化传热的换热器，在保证换热强度不变的情况下，可以显著降低传热温差，从而降低了热损更好地实现能级匹配，达到节能降耗的目的。 采用扰流子强化传热，另一优点就是可有

36、效地抑制污垢的生成。结垢是换热器非常棘手的问题。污垢使传热效率下降，它的导热性能差，只有钢的1/301/50。对碳钢管油冷却器，当水垢厚度达到2mm时，将比新制无垢时的运行效率下降30%。美国传热研究公司对换热器的污垢问题进行了多年的研究，发现污垢的形成、生长，主要与介质温度和流速有关，介质温度越高，介质与壁面温差越大，流速越低，越易形成污垢。为了消除管侧污垢，国外一些厂家通过提高管内流速（V23m/s），但这带来过高的压降，能耗很大。采用扰流子强化传热的换热器，设备管侧的污垢显著减少。首先，由于流体的弥散流动，介质的温度梯度较小，抑制了污垢的形成、生长；其次，由于弥散流紊动度很高（扰流子强化相当于静态搅拌器），流体中的杂质不易沉积成垢。 使用扰流子强化传热换热器的清洗十分方便。短时期清洗时，可不抽出强化元件，用水速为V0.8m/s的清洗水冲刷管程即可。实验表明。当水速达到0.8m/s时，水流将产生强烈的弥散涡流，对管壁有很强的冲刷效应。因此，可以比较干净地除掉扰流子及管壁上的垢物。如果长时间运行后清洗，可抽出强化元件，分别清洗扰流子与管壁，这也很便于实施。 扰流子强化传热元件非常易于装拆、安装，日常维护简便，对旧设备的革新挖潜尤为有利。