換熱器的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)展

毛文睿 李亞飛 張龍龍 董玄吉

(鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450002）

換熱器是一種十分重要的熱量交換設(shè)備，它是一種在不同溫度的多種介質(zhì)之間實現(xiàn)熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備。它可以用低溫介質(zhì)冷卻高溫介質(zhì)從而達(dá)到降溫、預(yù)冷的效果，也可以用高溫介質(zhì)加熱低溫介質(zhì)，使其溫度達(dá)到工藝流程的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)從而達(dá)到生產(chǎn)的需要。一直以來，換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)備受世界各國學(xué)者的關(guān)注，使得新型高效節(jié)能的換熱器層出不窮。

1 國內(nèi)外換熱器的發(fā)展

二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、 傳熱效果好的板式換熱器，并率先被用于食品工業(yè)。二十世紀(jì)30年代初期，瑞典和英國分別制造出了螺旋板式換熱器和板翅式換熱器。到了二十世紀(jì)60年代，由于科技的發(fā)展，換熱器的需求驟增，再加上沖壓、焊接等技術(shù)的發(fā)展，促使緊湊型換熱器產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。進(jìn)入二十一世紀(jì)以后，大量強(qiáng)化傳熱的工藝被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，世界換熱器產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平迅速提高[1]。

我國的換熱器發(fā)展起步較晚，1963年撫順機(jī)械設(shè)備制造有限公司制造出了中國第一臺符合美國TEMA 標(biāo)準(zhǔn)的管殼式換熱器。1965年蘭州石油機(jī)械研究所研制出我國第一臺板式換熱器。二十世紀(jì)60年代，蘇州新蘇化工機(jī)械有限公司研制出了我國第一臺螺旋板式換熱器。二十世紀(jì)80年代后，我國掀起了自主開發(fā)傳熱技術(shù)的熱潮，出現(xiàn)了一些以折流桿換熱器、雙殼程換熱器、板殼式換熱器為代表的高效換熱器[2]。

2 換熱器的研究現(xiàn)狀

換熱器大致可以分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。其中混合式換熱器是使冷熱流體直接混合來進(jìn)行熱量交換的，例如涼水塔、流化床等，這種換熱器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，并且大多數(shù)以塔的形式出現(xiàn)； 蓄熱式換熱器的熱量傳遞是通過蓄熱體來進(jìn)行的，在傳熱過程中使冷流體通過積蓄了熱量的蓄熱體，從而使冷流體升溫。蓄熱式換熱器造價低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、連續(xù)操作性強(qiáng)，常被用于氣體之間的熱交換； 間壁式換熱器是兩種不同溫度的介質(zhì)在相間隔的流道中流動，介質(zhì)之間不會相互混合，整個過程連續(xù)而穩(wěn)定，是工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一類換熱器，也是我們下面要主要介紹的一類換熱器。

2.1 管式換熱器

管式換熱器是最典型的間壁式換熱器，它操作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、可在高溫高壓下使用，是目前應(yīng)用最為廣泛的換熱器類型之一。然而，研究表明，與以往傳統(tǒng)的管殼式換熱器不同，新型換熱元件和高效換熱器的研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入了一個新時期。從目前諸多的研究成果來看，改善換熱器的方法主要有對管程結(jié)構(gòu)改進(jìn)和對殼程結(jié)構(gòu)改進(jìn)兩大類。在管程結(jié)構(gòu)改進(jìn)中主要有改變傳熱面積和加入管內(nèi)插入物兩類。在殼程結(jié)構(gòu)改進(jìn)中主要有改變管子外形及表面特性和改變殼程管間支撐物結(jié)構(gòu)兩種。下面我們通過幾種典型的例子來加以介紹。

2.1.1 螺旋槽紋管換熱器

螺旋槽紋管是一種高效益異形的強(qiáng)化傳熱管件，它通過改變傳熱面的形狀大大強(qiáng)化了流體的換熱效果。二十世紀(jì)70年代，美、日、英等國對螺旋槽紋管換熱器進(jìn)行了大量的研究，基于螺旋槽紋管的特性，美國Argonne 國家實驗室和GA 技術(shù)公司設(shè)計螺旋槽紋管換熱器的傳熱效率比光管提高了2 至4 倍。我國的華南理工大學(xué)[3]、重慶大學(xué)[4]也對螺旋槽紋管進(jìn)行了大量的實驗和研究，得出了單頭螺紋槽管的綜合性能優(yōu)于多頭螺紋槽管的結(jié)論。目前，無論是從傳熱、流阻、阻垢性能，還是從無相變對流換熱和有相變凝結(jié)換熱，對螺旋槽管的強(qiáng)化傳熱研究從理論到實際已達(dá)到較高水平[5]。

2.1.2 管內(nèi)插入物換熱器

管內(nèi)插入物換熱器是通過在管內(nèi)添加插入物增加流體的湍動程度，加強(qiáng)近壁面和流體中心區(qū)域的混合程度，從而達(dá)到了強(qiáng)化傳熱的目的。管內(nèi)添加物的種類多種多樣，常見的有加入紐帶、螺旋線、螺旋片等。試驗研究表明，管內(nèi)插入紐帶之后，如果是層流換熱，則對流傳熱系數(shù)可增大2 至3 倍，壓降增加3 倍以上。若是紊流換熱，傳熱系數(shù)僅增大30%左右，而壓降增大2 倍以上[6]。管內(nèi)插入物加工簡單，特別適合對已有設(shè)備進(jìn)行升級改造。

2.1.3 折流桿式換熱器

傳統(tǒng)的管殼式換熱器裝有折流板，這種結(jié)構(gòu)的流動阻力大，容易使換熱管發(fā)生震動而被破壞，為了解決這個問題并強(qiáng)化傳熱效果，折流桿換熱器應(yīng)運(yùn)而生。它通過改變殼程管間支撐物結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了傳熱。折流桿式結(jié)構(gòu)至少由四片折流柵組成，兩橫兩豎，每個折流柵由若干個相互平行的折流桿鑲嵌在一個折流圈上。折流桿換熱器幾乎不存在流動死區(qū)，從而徹底解決了傳統(tǒng)的折流板換熱器中存在的流動死區(qū)的問題。另外折流桿換熱器不易結(jié)垢，流體在經(jīng)過折流桿時產(chǎn)生文丘里效應(yīng)對管壁有強(qiáng)烈的沖刷作用使得污垢難以形成[7]。

2.1.4 管翅式換熱器

管翅式換熱器廣泛應(yīng)用于制冷行業(yè)，與普通的管殼式換熱器相比，它傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長、拆裝簡易，是一種安全可靠的換熱器。管翅式換熱器通過在管外加裝翅片，強(qiáng)化了殼程的傳熱。華南理工大學(xué)的徐百平[8]等人通過研究，對總結(jié)了不同翅片形式強(qiáng)化傳熱的機(jī)理及翅片參數(shù)對傳熱與流阻的影響規(guī)律。華中科技大學(xué)的周飚[9]對管翅式換熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，計算出了特定工況下的最佳換熱性能參數(shù)，并進(jìn)行了計算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計程序的開發(fā)。

2.2 板式換熱器

板式換熱器是由一系列波紋狀的薄板按照固定的間隔并通過墊片緊壓而形成的換熱器，板式換熱器與管式換熱器相比，在相同的污垢系數(shù)下，總傳熱系數(shù)是管式換熱器的2 至3 倍，壓力損失為其0.5 至1 倍，重量為其0.25 至0.5 倍。體積和占地面積為其的0.3 至0.5 倍，因此板式換熱器的性能更佳[10]。但是，由于板式換熱器密封周邊長且使用中常常需要清洗，對有墊圈的板式換熱器來說不能在高溫高壓下使用，并且它的處理量也不如管式換熱器，因此板式換熱器應(yīng)用的廣泛度不如管式換熱器。

近些年來，國內(nèi)的一些學(xué)者對板式換熱器的研究也獲得了很大的進(jìn)展。楊勇[11]采用曲線坐標(biāo)下的低雷諾數(shù)模型對波紋板式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬并得到了速度場和溫度場。伍肇梅[12]等人設(shè)計出了一種區(qū)別于傳統(tǒng)人字形波紋板的新型微板點(diǎn)波換熱器，它有更高的傳熱效率和更低的材料消耗并有壓降更少體積更小的優(yōu)點(diǎn)。山東大學(xué)的文孝強(qiáng)[13]等人在恒定壁面材料、流速和水溫的條件下建立了基于模擬退火支持向量機(jī)的板式換熱器污垢熱阻預(yù)測模型。任承欽等[14]設(shè)計了一種六邊形隔板的板式換熱器，并對它進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示這種換熱器具有準(zhǔn)逆流換熱的特點(diǎn)并具有強(qiáng)化換熱的作用。

3 結(jié)語

換熱器是一種提高能源利用率的重要設(shè)備，被廣泛用于石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供暖、制冷空調(diào)、機(jī)械、食品等領(lǐng)域。據(jù)《2013-2017年中國換熱器行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測與轉(zhuǎn)型升級分析報告》數(shù)據(jù)顯示2010年中國換熱器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模在500 億元左右。近年來國內(nèi)的換熱器行業(yè)在新產(chǎn)品的研制、新技術(shù)的研發(fā)上取得了不俗的成績，但是與發(fā)達(dá)國家之間還是有著一定的差距。因此，我們應(yīng)該抓住換熱器產(chǎn)業(yè)的黃金增長期這個契機(jī)，借鑒世界先進(jìn)技術(shù)，使我國的換熱器技術(shù)再上一個新臺階。

[1]黃蕾等.世界換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].石油與化工設(shè)備，2011.

[2]黃慶軍等.中國換熱器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油與化工設(shè)備，2010.

[3]鄧先河，鄧頌九1 螺旋槽管管殼式換熱器的傳熱與阻力研究[J].化學(xué)工程，1991.

[4]程俊國等.螺旋管的傳熱及流阻性能[J].重慶大學(xué)學(xué)報，1980.

[5]支浩，湯慧萍，朱紀(jì)磊.換熱器的研究發(fā)展現(xiàn)狀[J].化工進(jìn)展，2008.

[6]馮國紅等.管殼式換熱器的研究進(jìn)展[J].化學(xué)工程，2009.

[7]康麗媛.折流桿換熱器的設(shè)計[J].應(yīng)用技術(shù)，2012.

[8]徐百平等.管外翅片強(qiáng)化傳熱途徑與研究進(jìn)展，石油化工設(shè)備，2004.

[9]周飚.管翅式換熱器性能及結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化的熱設(shè)計方法，華中科技大學(xué)，2004.

[10]周海成.板式換熱器的技術(shù)進(jìn)展及其應(yīng)用[J]，壓力容器，1996.

[11]楊勇.數(shù)值傳熱學(xué)在波紋式換熱器上的應(yīng)用[J]，華北電力技術(shù)，1999.

[12]伍肇梅.一種新型板式換熱器[J]，制冷與空調(diào)，2011.

[13]文孝強(qiáng).一種板式換熱器污垢熱阻預(yù)測新方法[J].化工機(jī)械，2013.

[14]任承欽等.一種新型板式換熱器的設(shè)計及傳熱特性的模擬研究[J].暖通空調(diào)，2003.