浅论换热器及其发展趋势

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1、浅论换热器及其发展趋势浅论换热器及具发展趋势摘要:换热器是工业部门广泛使用的一种设备。为了适应所需，换热器的类型多而复 杂，木文根据作用原理和传热方式主要分为玄接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换 热器和小间载热体式换热器进行了简要介绍。间壁式换热器仍是应用最广泛的一类换热 器，因此以其-列管式换热器为例概括了换热管的现状和相应的换热器的发展进展。关键词：换热器；换热管；现状；发展、换热器介绍换热器是一种使热量从热流体传递到冷流体的设备，它在许多工业部门被广泛使用，包 括化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械等等。其主要功能有两点，一是 使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足T艺

2、流程上的需要；二是有效的冋收利用预 热、废热，特别是低位热能。在化T生产小换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发 器和再沸器等，应用相当广泛，自然的，其类型也相当多，若按照作用原理和传热方式则 分为百接接触式:换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器和小间载热体式换热器。1. 1直接接触式换热器玄接接触式换热器又称混合式换热器，是依靠冷、热流体自接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较人的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水Z间的混合加热、熬汽的冷凝等等，具体应用有冷却塔

3、、气压冷凝器、气体洗涤器等。采用这种换热器，热量能令效地从一种流体传递到另一种流体，即传热效率高，单位传热血上能传递的热量多；其结构能适应所规定的T：艺操作，运转安全可靠，密封性好，清洗、检修方便，流体阻力小。同时价格便宜，维护容易，可使川时间长。但明显的缺点就是应川范I韦I小，仅适川于工艺上允 许两种流体混合的场合。1.2蓄热式换热器图1-1直接接触式换热器热式换热器与冋热式换热器相对应，是一种应用丿力蓄史比较久远的换热装置，冋热式换热器小两种流体的换热是通过各个位置的固定边界进 行的，在稳定运行时换热器的内的温度只与位置有关，而在蓄热式换热器热量的传递都是 动态的，同时依赖于位置和时间。1

4、在蓄热式换热器小，冷、热流体交替地流过同一固 体传热面及具所形成的通道，依靠构成传热面的物体的热容作川（吸热或放热），实现冷、热流 体之问的热交换。蓄热武换热器有受热面冋转武和风罩冋转武两种：热流体热流体前者是由转子转动使烟气和空气交替冲刷蓄热元件；后者是由风罩转使烟气和空气交 替冲刷蓄热元件。该换热器适用于流景大的气一气热交换场合，如动力、硅酸盐及石油化 工等工业小的余热利用和废热冋收等方血。2蓄热式换热器的优点也很明显，灯先是结构紧凑，具次它是由由固体填充物构成的蓄热 体作为传热血的，交替地通过同一通道利用蓄热体來吸热和放热，其单位血积传热血人， 适用于气-气热交换，如冋转式空气预热器。但

5、局限在于不允许两种流体混合。图1-3燃烧室图1-2蓄热式换热器1.3间壁式换热器间壁式换热器又称为表面式换热器，利用间壁（固体壁面）进行热交换。是应用最广泛 的一类换热器，形式也多种多样，如板式换热器、板翅式换热器、列管换热益三类。相比 而言，板丈换热器具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地血积小、安装清洗方 便，使用寿命长等特点；板翅武换热器制造工艺要求更为严格，且容易堵塞，不咐腐蚀， 清洗检修困难，但其传热性能特别好；列管式换热器又称管壳式换热器，是工业上应用最 广泛的换热设备，又分为固定管板式换热器、U形管式换热器、浮头式换热器。管壳式换 热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，

6、冷、热流体之间通过管壁进行换热的 换热器。它适应于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热冋收等各个方血。通常管秃式换热器的 工作压力可达4兆帕，工作作温度在200 C以下。在个别情况下还可达到更高的压力和 温度。-般壳体直径在1800 ram以下，管子长度在9m以下，在个别情况下也有更人或更 长的。其优于其他两种的特点是结构坚固、可选用的结构材料范囤广，故适应性强、操作 弹性较人。因此，在高温、高压和人型装置上多采用列管式换热器。图1-4管壳武换热器间壁式换热器应用广泛,工作坏境多变且较为恶劣，例如部分间壁式换热器操作压强 高达2*105Kpa ,温度-250到1500 C的范殉内变化，某些流体的腐蚀性

7、又特别严重等。 每种类型的换热器都有优缺点，选择换热器类型时，要考虑的因索很多，例如材料，压 强，温度，温度差，压强降，结垢腐蚀情况，流动状态，传热效果，检修和操作等。对同 种换热器而言，某种情况下使川是好的，而在另外的情况下却不能够令人满意，甚至根 木不能川。因此在实际应川中，工作人员需对各种间壁式换热器的优缺点和操作方式了然 于胸，最人发3 挥貝:优势。1.4中间载热体式换热器小间载热体武换热器是将两个间壁式换热器由在其小循坏的载热体连接，载热体在高温 流体换热器和低温流体换热器间循环，从高温流体换热器小吸收热量，向低温流体换热器 中释放热量给低温流体。图1-5热管换热器一、换热器的发展换

8、热器在国民经济和化丁生产领域中对产品质量、能量利川率以及系统经济性、可靠性 起看举足轻垂的作用。近年來，能源与材料费用的不断增长极人地推动了对高效节能 换：热器的研究，作为i种节能设备，换热器不仅是保证加工过程正常运转不可缺少的 设备，而且就金属消耗、动力消耗和投资来说，其在整个工程中所占有比例很人。据统 计，换热器的投资约人全部设备投资的40亂因此开发新型高效和结构紧凑的换热器是1=1 前换热器研究的一个重要方向。其内部强化传热主要有两种途径：增人传热血积，但换热 器的传热血积不可能无限制地增人，否则投资费用会人人增加，并且随着工业化的进展， 设备要紧凑化：提高传热系数，主要从管程和壳程传热

9、强化系数的提高方血上考虑。2.1常见换热管的研究现状2. 1. 1螺旋槽管螺旋槽管是种管壁上具有外凸和内凸的异形管，管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的 传热中明显提高管内外的传热系数，起到双边强化的作川。根据在光管表面加螺旋槽的 类型，螺旋槽管有单头和多头之分，其主耍结构参数有槽深e、槽距p和槽旋角B。，研 究还表明单头螺旋槽管比多头螺旋槽管的性能好。日前，无论足从传热、流阻、结垢性 能，还是从无相变对流换热和有相变凝结换热，对螺旋槽管的强化传热硏究从理论到实际 已达到较高水平。2. 1.2横纹管横纹管是一种普通圆管作毛胚，在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管内 形成一圈突起的坏肋。

10、其强化机理为：当管内流体经横向坏肋时，管壁附近形成轴向漩 涡，增加了边界层的扰动，令利于热量通过边界层的传递。当涡流即将消失时，流体又流 经下一个横肋，不断产生轴向涡流，因而保持连续且稳定的强化作用。2. 1.3管内插入物管内插入物的类型有很多，主要有：麻花铁、螺旋线圈、螺旋带、螺旋片、扭带和静态 混合器等。各种插入物的强化传热机理一般可分为四种：形成旋转流；破坏边界层；中心 流体与管壁流体产牛置换作用；产生二次流c管内插入物的优点是对旧的换热器设备进 行改造，以提高其换热性能。在强化传热的同时，能达到清除污垢的Id的。2.1.4内翅片管内翅片管是采川特殊的焊接丁艺和设备加丁而成，流体在管内的

11、换热过程为单相强制对换器强流热管。其丰要特点是通过在传热管管内扩人传热面积、强化管内传热的途径来提高换厶!。八十年代初,口立电缆有限公司研究表明，采用左右错式的螺旋内翅片4 化单相流体的传热可使管内给热系数提高到光管的2. 8倍左右。2. 1.5波纹管波纹管是将光管加工成波纹形状的翘片，一其强化传热机理是：通过改变断面使弧形段内 壁处发生两次反向扰动，增加对管内流体的扰动，扩人低热阻区域，以提高传热系数，增 强传热效果。具有不易结垢，单位容积传热血积人，耐腐蚀性强，温差应力小等优点。2. 1.6缩放管缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形管道，其强化传热的机理是：在扩张 段流体速度降低，

12、静压增人；在收缩段流体速度增加，静压减小；流体在方向反复改变的 轴向压力梯度下流动。扩张段产生的漩涡在收缩段被有效地利川，冲刷了流体边界层，便 边界层减落实现了强化传热。2. 2换热器发展及进展长期以來，列管武换热器面临着各种新型换热器的挑战，且某些场合已被一些新型换热 器所取代，但是由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然居于统治地位。例如在日 木其产址占全部换热器的70%,产值占60%0由于受到挑战，反过来也促进了它口身的发 展。5 例如在高温、高圧领域，已有用它取代蛇管、套骨式换热器的趋势。日前，对高 效列管式换热器的研究主要集小在强化管程和売程两方而，根据以上换热管研究现状针对 管程

13、有如下改进。2. 2. 1螺纹管换热器螺纹管是一种优良的高效异形强化传热管件，其结构如图2-1所示，由光滑管在车床上 轧制而成，分单头和多头，其强化机理是：产生的边界层分离流使传热边界破坏。日前从 传热、流阻、阻垢性能、无相变对流换热、有相变凝结换热等方血对螺纹管的强化传热研 究从理论到实际都达到了较高水平。图2-1螺纹管2. 2. 2横纹管换热器横纹管主要用来强化管内单相流体的传热，在相同流速下，横纹管比单头螺旋槽管比 较，流体阻力稍人但压降较小，传热性能好。我国华南理T人学、沈阳化工学院和辽宁冷 热设备制造公司等单位对横纹管进行了研究和应用。如图2-2。图2-2横纹管2. 2. 3菱形翅片

14、管换热器菱形翅片管与螺纹管相比，翘片距史密，传热血积史人，当流体流经菱形翅片表血 时，传热边界层在菲连续翅片上因受到周期性破坏而减薄，从而提高了冷凝传热系数， 是光滑管的6倍。2. 2. 4波纹管换热器波纹管是近10年出现的强化换热管，其结构如图2-3所示，我国第一台波纹管换热器 由沈阳市广厦热力设备公司于20世纪90年代初研制成功。图2-3波纹管2. 2. 5缩放管换热器其结构如图2-4所示。华南理丁人学研究认为，缩放管可强化管内外单相流体的传热,45在同等流阻损失下， 空气Re二10-10范围内，传热管比光管增加70%。缩放管换热器C在6预热器、油冷却器、冷凝器、废热锅炉中广泛使川。Fl

15、P2三、结论图2-4缩放管换热器在近百年來在国民经济的很多领域起着越來越重要的作用，能源与材料费用的不 断增长也极人地推动了对高效节能的换热器的研究。而今，换热器的类型Li经很多，但缺 陷却是人多数换热器所共有的，具内部强化传热途径也相似。对于未来的发展，需要包括 以下几个方血：一是器械紧凑化；二是换热高效化减少热量的散失；三是节能减排； 四是理论系统化；五是技术模型化。换热器有着极其广泛的应川，在发展上虽然有瓶颈但仍然有很人的需要。参考文献1 Frank W Schmidt, A John W订lmott. Thermal energy storage and regenerationZ . Washington： Hemisphere Pub. Corp, 19812 王维刚.蓄热式换热器的优化设计J 化工机械,2010 (4) :412-4143 胡学敏.问壁式换热器的分类和应用分析J.商品与质量：学术观察，2012(6) :83-834 任孝平换热器研究现状以及发展趋势J.硅谷.2011(8)： 27-275 陆璐.换热器的研究现状和发展J.产业与科技论坛.2011 (2) : 49-506 王永红.列管式换热器强化传热研究及发展J 低温与超导.2012 (5) :