波紋管換熱器是管殼式換熱器一種新興類型，換熱元件用波紋換熱管取代原始的光滑直管，這種換熱器將傳熱效率提高了2到4倍。波紋換熱管的結構周期性變化，比光滑直管複雜很多，對管內流體有充分擾動影響，迫使流體湍流流動，増強了換熱管傳熱能力。波紋換熱管的其他優勢是不斷收縮和擴張的管型使波紋管具有了補償能力，即在應力作用下，波紋換熱管可以在一定範圍內自由伸縮，不會對換熱器管板等元件造成損害，同時也正是這種小幅度“伸縮”讓波紋換熱管具有很強防結垢能力，因此波紋管式換熱器在工業生產中得到了廣泛套用。
基本介紹
- 中文名：波紋換熱管
- 外文名：corrugated heat exchange tube
- 優點：傳熱係數高
- 傳熱方式：壁面間熱傳導
- 類別：熱交換設備
結構,熱管成型工藝,傳熱機理,優點,
結構
波紋換熱管，一般是由無縫不鏽鋼管經二次加工成型得到，它的縱向截面是不同半徑圓弧相切而形成的連續波紋，參考圖形如下。
波紋換熱管加工波紋的目的是強化管內流體流動，使流體不斷形成湍流，以增強傳熱效果。根據波紋換熱管在生產中的套用，屬於承壓元件，因此要求波紋換熱管必須具有合格的承壓能力。儘管過深過密的波紋有利於強化傳熱，但是這種結構的波紋換熱管也會增大管內流體壓力損失，同時也容易失穩。從強化傳熱和減小壓降兩方面綜合考慮，波紋管波紋既不能過深過密又不能過淺過疏，同時還需要考慮力學、材料和成型工藝等因素，因此設計合理的波紋形式是設計波紋換熱管的關鍵技術所在。
熱管成型工藝
波紋換熱管，由薄壁(壁厚小於1 mm)光滑直管加工而成，直徑小，管子長、縱向結構上有周期變化的波紋，生產加工較為困難。波紋換熱管從波形上分為螺旋形波紋和環形波紋。由於螺旋形波紋管接頭過渡複雜，因此現在製造廠大多以生產環形波為主。光滑直管加工成波紋管過程中會發生較大的變形，因此要求材料必須有較好的力學性能和材料性能。波紋管生產成型後應力狀態十分複雜，需進行去應力退火併進行水壓試驗，檢查合格後方才能製造換熱器。
液壓脹型和軟膠脹型是目前波紋換熱管兩種主要成型方式。液壓技術是波紋管液壓脹型工藝是常用技術，加工過程是將光滑直管放在成型模具中，然後向管內注入高壓液體，液體的壓力作用使光管發生形狀改變從而獲得模具規定的幾何形狀，這中加工方法的缺點是需要對模具施加大量工裝，工序複雜，加工過程慢，同時工作環境較差，加工時不容易密封；軟膠脹型加工方法是利用對光管內圓柱形的軟膠對光管進行軸向壓縮使其產生徑向壓力迫使波紋形成。螺旋形波紋主要採用液壓加工方式，環形波紋既可用液壓加工也可用軟模成形製造。
傳熱機理
換熱管壁面內的熱量傳遞主要是熱傳導方式，在管殼式換熱器傳熱過程中熱輻射不予以考慮。
流體從進入管口開始，由於具有粘性，同時受壁面阻礙作用，靠近壁面的流體層首先減速，隨著流體向前流動，相鄰流體層依次減速，產生速度梯度，速度受到影響的流體區域越來越厚，這就形成了速度邊界層。從管口開始，初始的速度邊界層內流體速度較小，流動類型為層流，故稱為層流邊界層。隨著流動的進行，層流邊界層的厚度逐漸增加，流體流速在徑向方向也逐漸增大，當流速達到一定值的時候層流邊界層外緣靠近管中心的部位開始出現湍流，速度邊界層迅速往管中心擴大，同時層流底層被侵蝕、壓縮。當湍流邊界層在管子中心線匯合之後，流體在管內的流動發展為完全的湍流(這段長度叫穩定段長度)。穩定段之後管內的流體(即湍流邊界層)按流型分為層流底層、過渡層和湍流主體。
速度在壁面軸向的出現流動邊界層，同樣，當流體在與壁面之間存在溫差時，在壁面上也會出現一定厚度的薄層溫度發生明顯變化，我們稱這層薄層為熱邊界層。熱邊界層與流動邊界層類似，內部存在很大的溫度梯度，熱量擴散主要發生在這個區域，熱邊界層以外的區域是等溫流動區，湍流邊界層的熱阻主要集中在層流底層。
優點
1. 傳熱係數高。由於波紋管流動通道的橫截面連續突變，管內流體流速和流動方向不斷改變，大幅提高流體的湍流強度，破壞底層的層流，使流體邊界層的流動狀態發生變化，從而提高管內外的對流傳熱係數，在管內流體流速較低的情況下，即可達到湍流速度。
2. 可承受中低壓力，耐腐蝕能力強，壽命長。波紋管由不鏽鋼光滑直管冷加工成型，承載壓力能力比光滑直管強，可以滿足化工行業中中低壓換熱工況需要。
3. 可以適應較大的溫度差，可以在不對換熱器管板造成損害的前提自動調節由溫度差引起的應力變形。因為波紋管是由連續的波紋結構組成，管壁薄，同時奧氏體不鏽鋼材質具有良好的韌性，因此波紋換熱管具有一定範圍軸向伸縮能力，當換熱管內外流體溫差較大或者內外工況壓力差較大時會使換熱管產生應力集中引起換熱管變形，波紋換熱管因為具有小範圍伸縮能力，它可以補償和吸收這種情況下溫差應力和壓差應力產生的變形，保護換熱管和管板連線部分，不會使連線結構斷裂使換熱器損壞。
4. 可以防垢、清垢。波紋管在工作過程中，一方面換熱管內外流體受其結構影響始終處於高度湍流狀態，流體中的固體雜質不容易沉積結垢；另一方面波紋管受管內外溫度差和壓力差影響，波紋管在軸向方向會產生微小的伸縮變形，管內外的曲率會隨之頻繁變化，由於垢層和波紋管的線膨脹係數相差很大，所以已經沉積結垢的污垢層與換熱管之間會產生較大的拉脫力，使污垢層破裂而自動脫落。
