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新型换热器技术进展及其应用

新型高效换热器技术进展及其应用

靳凯

太原理工大学化学化工学院过程装备与控制工程系，山西省太原市，030024

摘要:

本文在介绍传统换热器的基础上对新型高效换热器技术进展做了一个整体的概述，然后描述了换热器的应用领域，并提出了我国目前发展换热器产业所存在的问题。

关键词新型；高效；换热器；技术进展及应用；

引言

由于制造工艺和技术水平的限制，早期的换热器只能采用简单结构，传热面积小、体积较大、笨重，如蛇管式换热器等。

但随着制造工艺的发展，慢慢的出现了管壳式换热器的，这种换热器的单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果较好，长期以来在工业生产中已成为一种典型的换热器，到了20实际20年代又出现了板式换热器，以板代管制成的换热器，结构紧凑、传热效果好。

传统的换热器种类繁多，也没有一个统一的划分方法，目前主要的划分方法有：

按照热流体与冷流体的流动方向来分：

顺流式、逆流式、错流式、混流式。

按照传送热量的方法来分：

间壁式、混合式、蓄热式等三大类。

其中间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。

间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式和板面式。

管式换热器以管子表面作为传热面，包括套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等。

目前属管式换热器和板面式换热器的应用范围最广。

1新型高效换热器的技术进展

所谓新型高效换热器是指在传统的换热器基础之上通过强化传热技术来提高换热器的换热效率，减少换热过程中的能量损失。

就强化传热技术来说，主要是力求使换热设备在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能增多，从大的方面来说强化途径不外乎三个：

提高传热系数、扩大单位传热面积、增大传热温差。

1.1管式换热器的传热强化

管式换热器的传热强化主要包括管程的强化和壳程的强化。

1.1.1管程的传热强化

管程的强化传热通常是对光管进行加工得到各种结构的异形管，如螺旋槽纹管、横槽纹管、波纹管、低螺纹翅片管（螺纹管）、螺旋扁管、多孔表面管、针翅管等，通过这些异形管进行传热强化。

例如：

（1）螺旋槽纹管

螺旋槽纹管管壁是由光管挤压而成，如图1所示，有单头和多头之分，其管内强化传热主要由两种流动方式决定：

一是螺旋槽近壁处流动的限制作用，使管内流体做整体螺旋运动产生的局部二次流动；二是螺旋槽所导致的形体阻力，产生逆向压力梯度使边界层分离。

螺旋槽纹管具有双面强化传热的作用，适用于对流、沸腾和冷凝等工况，抗污垢性能高于光管，传热性能较光管提高2～4倍。

（2）横槽纹管

横槽纹管如图2所示，其强化机理为：

当管内流体流经横向环肋时，管壁附近形成轴向漩涡，增加了边界层的扰动，使边界层分离，有利于热量的传递。

当漩涡将要消失时流体又经过下一个横向环肋，因此不断产生涡流，保持了稳定的强化传热作用。

研究和实际应用证明：

横槽纹管与单头螺旋槽纹管比较，在相同流速下，流体阻力要大一些，传热性能好些，其应用场合与螺旋槽纹管相同。

图3波鼓形波纹管图4梯形波纹管

图5缩放管图6波节管

（3）波纹管

对波纹管按流体力学观点分析：

在波峰处流体速度降低，静压增加，在波谷处流速增加，静压降低。

流体的流动在反复改变轴向压力梯度下进行，产生了剧烈的漩涡，冲刷流体的边界层，使边界层减薄。

因此用波纹管做换热管从理论上讲：

由于波节的存在，增加了对管内流体流动的扰动，使波纹管具有较好的传热效果，但流动特性不如光管的好。

在低雷诺数下，波纹管的换热与阻力性能比明显好于光管；在高雷诺数下，波纹管与光管的换热与阻力性能比非常接近。

波纹管的波形大致可分为以下几类：

波鼓形、梯形、缩放形和波节形，详细结构分别见图3～6。

（4）翅片管

图7低螺纹翅片管

图8变形翅片管

翅片管是一种外壁带肋的管子，肋的截面形状有矩形、锯齿形、三角形、T型、E型、花瓣型等等，这种管子有助于扩大传热面积，促进流体的湍流，一般用于以壳程热阻为主的情况。

当壳程热阻为管程2倍以上时，使用翅片管是合适的。

但不能用来处理容易结焦的介质，其中低螺纹翅片管（图7）和变形翅片管（图8）的翅化率一般小于3，用于管内介质给热系数比管外介质给热系数大于2倍以上的情况时可以提高传热系数30%左右。

（5）螺旋扁管

螺旋扁管（图9）的独特结构使流体在管内处于螺旋流动，促进湍流程度。

实验研究表明：

螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高，在低雷诺数时最为明显，达2～3倍；随着雷诺数的增大，通常也可提高传热系数50%以上。

（6）表面多孔管

在普通金属管表面敷上一层多孔性金属层，形成表面多孔管。

表面多孔管能显著地强化沸腾给热过程，但其表面的多孔状局限了其只能应用于无垢或轻垢的场合。

制造表面多孔层的方法主要有：

烧结法、火焰喷涂法、电镀法及机械加工法等。

目前已投入规模生产的为烧结法和机械加工法。

（7）针翅管

针翅管（图10）既扩大了传热面，又可造成流体的强烈扰动，极大地强化传热，而且压降不大，并可籍针翅互相支撑而取消折流支撑板（杆），大大节省支撑板材料，可代替光管和螺纹管作为油品换热器的换热管，也是低传热膜系数、高粘度介质和含尘高温烟气的理想传热管，可用于油品等纵向流管束换热和烟气锅炉或余热回收中。

（8）管内插入件

管内插入件是强化管内单相流体传热的行之有效的方法之一。

目前管内插入件的种类很多，有纽带、螺旋线圈、螺旋片、静态混合器等。

管内加麻花片纽带使管内换热系数比光管增加了56%～95%，摩擦系数增加了70%～400%。

因内插物是为了降低管内流体由层流转变到湍流时的临界雷诺数，一般说它们在低雷诺数下强化传热的效果比湍流区更佳。

1.1.2壳程的传热强化

在管壳式换热器中，管束支撑结构的主要作用是：

支撑管束，使壳程流体产生期望的流型和流速，阻止管子因流体诱导振动而发生失效。

因此，管束支撑结构是壳程内的关键部件，直接影响着换热器壳程的流体流动和传热性能。

管束支撑结构经过多年的研究、应用和发展，概括起来有3种类型：

（1）横流式支撑，如传统的弓形折流板，使壳程流体呈横向流动；

（2）纵流式支撑，如折流杆式等新型支撑，使壳程流体呈纵向流动；

（3）螺旋流式支撑，如螺旋折流板，使壳程流体呈螺旋流动，分别见图11～13。

其中，传统的管壳式换热器壳程流体横向冲刷管束传热效率较低，流动阻力大，常发生流体诱导振动而导致破坏。

为解决换热管束的振动问题，美国菲利浦石油公司在20世纪70年代开发了折流杆式换热器，该换热器不仅解决了振动问题，而且由于壳侧流体的纵向流动使折流杆换热器比传统的弓形折流板换热器传热系数提高30%左右，壳程压降减少50%。

由于流体在壳程中作纵向流动是管壳式换热器中最理想的流动形式，因此近年来又开发出了一些新型纵流式换热器，图14中列举了几种常见的整圆形折流板，如矩形孔折流板，梅花孔折流板等。

这种异型折流板性能特点是：

（1）能有效地支撑管束，从而避免管束发生流体诱导振动（“大管孔”式除外）；

（2）孔板截面积小于壳程流通面积，因而可以调节壳程流体速度；

（3）各种形式的孔对流体具有“射流作用”，射流流体速度高且直接冲刷管外壁，因而能增加流体湍流度，减薄管壁液体的边界层，因而有效强化了壳程传热，适用于中、低粘度流体且雷诺数不太大的场合。

而螺旋折流板换热器又可分为单螺旋折流板换热器和双螺旋折流板换热器。

螺旋折流板换热器与常规折流板相互平行布置方式不同，它的折流板相互形成一种螺旋形结构，每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度，使壳程流体做螺旋运动，能减少管板与壳体之间易结垢的死角，从而提高了换热效率。

螺旋流换热器的强化传热机理为螺旋通道内的流型减弱了边界层的形成，从而使传热系数有较大增加。

相对于弓形折流板，螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象，从而提高有效传热温差，防止流动诱导振动；在相同流速时，壳程流动压降小；基本不存在流动与传热死区，不易结垢，适宜于处理含固体颗粒、粉尘、泥沙等流体。

对于低雷诺数下（Re＜1000）的传热，螺旋折流板效果更为突出。

在螺旋折流板换热器中，螺旋角β（即壳侧介质流动方向与管束横截面之间的夹角）将直接影响壳侧流体的流动及传热性能[1]。

1.2板面式换热器的传热强化

板面式换热器不同于一般传热面用管做的管式换热器。

它们的共同特点是被用作传热面的板是平板或稍带锥度的伞板，其上有各种凹凸条纹，或有各种不同断面形状的翅片当流体流过板面时就会产生扰动，使边界层减薄造成湍流，从而获得较高的传热效率。

相对于管壳式换热器来说，它们具有传热效率高，结构紧凑，重量轻等优点。

又由于流体在换热器中无论进行并流、逆流、错流都可以，板片还可以根据传热面积的大小而增减，因此适应性较大，应用日趋广泛。

随着对板式换热器研究的不断深入，其形式也越来越多。

与管式换热器相比，板式换热器为换热过程提供了更大的单位换热面积，除此之外，通过对换热板面的改进还可以提高流体的湍流程度，从而达到提高换热效率的目的。

我国是从上实际80年代开始发展板式换热器的，继四平板式换热器总厂、天津板式换热器厂开发单片面积2m2后，1992年邯郸板式换热器工贸公司试制成功国内最大的300MN板片专用压机，单片面积已达2.7m2。

1.2.1目前国内外主要的板面式换热器有：

（1）板式换热器

板式换热器又分为可拆式和焊接式。

可拆式板式换热器是将薄的金属板片冲压成为凸凹状，周边张贴合成橡胶类的密封垫片。

。

Laval公司的“按扣”式垫片，垫片直接扣压在板片上；GEA公司的板片，板片槽口上窄底宽呈梯形，垫片与板片槽过盈配合将垫片压紧。

开发无粘接剂连接垫片的技术，使板式换热器安装和维修的时间节约80％。

可拆式板式换热器便于拆卸清洗，增减换热器面积灵活，在供热工程中使用较多。

但是，一般的可拆卸式板式换热器由于本身结构的局限性，使用压力不超过2.5MPa，使用温度不超过250℃，此外还存在流体与密封垫片的相容性问题。

而焊接式板式换热器是用焊接结构替代橡胶垫密封，消除了由于垫片材料耐温、耐腐蚀、耐压方面的限制。

焊接式板式换热器的组焊板片内部不能用机械方法清洗，且全焊式只能用于不易结垢的介质进行换热，其最大优点是可承受较高温度和压力，没有垫片泄漏的顾虑。

焊接式板式换热器近年来得到很大发展，德国与日本合作的千代田BAVARIA混合焊接板式换热器，操作压力可从真空到6MPa，单元换热面积可达1480m2以上。

Nouvelles应用技术公司发明的Packinox换热器，代替列管式换热器用作炼油厂催化重整装置混合料换热器，并且得到了推广应用，紧凑、轻型的Packinox换热器可用各种合金制成，能提供的表面积为1000～10000m2。

（2）板壳式换热器

欧美发达国家于20世纪80年代起开始竞相开发、研制各种型式的板壳式换热器。

板壳式换热器的基本结构与板式换热器相似，但板间距增大，取消了垫片，改用焊接法连接各板，形成通道。

板壳式换热器最适合于介质清沽、换热量大和压降小的场合。

法国Packinox公司于20世纪80年代首次在催化重整装置中用一台大型板壳式换热器替代传统的管壳式换热器组。

20世纪90年代末期，Packinox公司又将大型板壳式换热器用于加氢装置，该公司的产品得到UOP（美国联合油）的认证。

而板壳式换热器在中国起步比较晚，1999年兰州石油机械研究所研制成功大型板壳式换热器，并于1999年5月8日通过中国石化总公司鉴定。

（3）螺旋板式换热器

螺旋板式换热器在国外较早使用在回收废液和废气中的能量等，螺旋板式换热器的构造包括螺旋形传热板、隔板、头盖和连接管等基本部件。

流体在螺旋形流道内的流动所产生的离心力，使流体在流道内外侧之间形成二次环流，增加扰动。

螺旋板式换热器具有体积小、效率高、制造简单、成本较低、能进行地温差换热等优点，目前的问题是如何能进一步提高该换热器的承压能力。

我国从20世纪60年代开始生产螺旋板式换热器，当时主要用于烧碱厂中的电解液加热和浓碱液冷却。

如今螺旋板式换热器在我国已形成规模，国家已制定了配套的技术标准，设计制造技术在我国业已成熟。

（4）板翅式换热器

在20世纪30年代，板翅式换热器首先在先进国家用于发动机的散热，它的板束单元结构由翅片、隔板和封条三部分组成。

它具有扩展的二次传热表面（翅片），所以传热过程不仅是在一次传热表面（隔板）上进行，而且同时也在二次传热表面上进行。

我国从20世纪60年代初期开始试制板翅式换热器，首先用于空分制氧，制成了第一套板翅式空分设备。

近几年来，在产品结构、翅片规格、生产工艺和设计、科研方面都有较大发展。

板翅式换热器由于结构紧凑、轻巧、传热强度高等特点，被认为是最有发展前途的新型换热器设备之一[2]。

1.3传热强化小结

综上所述，新型高效换热器提高换热效率主要是通过改变传统换热器管程和壳程的结构，增加流体的湍流程度，以此来减薄边界层，或者影响边界层的形成和增大单位换热面积，这样既节省了材料又达到了提高换热效率的目的，从而充分地将效率与经济性结合，同时满足了目前我国所倡导的节能减排政策。

其实还有其他的调高效率的办法，例如更换换热元件，采用新型材料等。

从整个换热器产业来看，一些发达国家仍然占据着技术优势，我国虽然取得了一定的进步，但与国外先进水平相比较，我国换热器产业最大的技术差距在于换热器产品的基础研究和原理研究，尤其是缺乏介质物性数据，对于流场、温度场、流动状态等工作原理研究不足。

在换热器制造上，我国目前还以仿制为主，虽然在整体制造水平上差距不大，但是在模具加工水平和板片压制方面与发达国家还有一定的差距。

在设计标准上，我国换热器设计标准和技术较为滞后。

目前，我国的管壳式换热器标准的最大产品直径还仅停留在2.5米，而随着石油化工领域的大型化要求，目前对管壳式换热器直径已经

达到4.5米甚至5米，超出了我国换热器设计标准范围，使得我国换热器设计企业不得不按照美国TEMA标准设计。

更为严重的是，我国在大型专业化换热器设计软件方面严重滞后。

目前我国在换热器设计过程中还不能实现虚拟制造、仿真制造，缺乏自主知识产权的大型专业计算软件。

由于在换热器的相关工艺计算、传热计算和振动模型的计算方面缺少大型专业化软件支持，使得我国对设计出来的换热器产品无法准确预计其使用效果，这使得我国企业在换热器产品招标过程中处于不利地位[3]。

找到问题所在，接下来我们要做的就是在在提高制造水平的基础上，加大基础研究和原理研究，同时要努力开发出所需的专业计算软件，这样才不会受制于具有技术优势的国家。

2新型换热器的应用

换热器既然结构和形式不同，那么它的应用领域也就自然不同。

其中，管式换热器由于其易堵塞，承受压力小，流体阻力高，受流体粘度影响大等原因而限制了其使用范围，但它仍然是化工、石油行业使用比较普遍的换热器。

与管式换热器相比，板式换热器具有传热效率高、体积小、质量轻、污垢系数低，在相同的流动阻力和泵功耗情况下,其传热系数要高出很多，因此也就得到了更广泛的应用。

近年来，焊接型板式换热器的紧凑性、重量轻、制冷性能好、运行成本低等优越性已越来越被人们所认识。

2.1板式换热器在制冷技术中的应用与发展

其实在实际制冷工程中，管壳式换热器和板式换热器都有应用，但是两者相比，板式换热器除了具有两种换热器的共同特点之外，还有如下的特点：

（1）制冷剂充灌量少．有利于环境保护和降低运行成本；

（2）冻结倾向少，抗冻性能高；

（3）发彻底，经济性高；

板式换热器是一种高效紧凑的换热设备，它的应用几乎涉及到所有的工业领域，例如石油、化工、轻工、电力、冶金、机械、能源等工业领域，而且其类型、结构和使用范围还在不断发展。

2.2腐蚀与防腐

任何一种换热器都存在腐蚀，当然也包括目前的新型高效换热器。

随着换热器的应用范围越来越广，工况也就越来越复杂，也就不可避免的存在腐蚀。

但归根结底，换热器的腐蚀主要包括：

换热器表面的腐蚀磨损，沉积物引起的电化学腐蚀，换热管水侧的腐蚀，负荷应力、热应力引起的应力腐蚀，溶解氧腐蚀和材质问题[4]。

腐蚀的形式不同，防腐措施也有不同，目前主要的防腐措施有牺牲阳极保护法、防腐涂料。

在涂抹防腐涂料时，由于涂料存在热阻，会影响总传热系数，进而降低换热效率，所以对其涂抹方式，涂层厚度，涂层次数，加热方法，涂层质量都有一定的要求。

3结论

随着我国制造技术的发展，管壳式换热器和板式换热器都得到了很大的发展。

但是，在加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收过程中,除了高温、高压和特殊介质条件外，板式换热器均已替代管壳式换热器。

然而，这并不能说明管壳式换热器将彻底退出市场，在某些特殊的场合和条件下，却必须使用管壳式换热器，同时管壳式换热器也有它不可替代的作用。

由此我们可以预见板式换热器与管壳式换热器的竞争会更加激烈。

此外,我国板式换热器在实验研究和理论研究方面与国外先进水平相比仍存在较大差距,所以仍需进一步加强板式换热器的研究。

目前,我国换热器产业的市场规模大概360亿人民币。

基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长,我国换热器产业在未来一段时期内将保持稳定增长。

2010年,我国换热器的市场需求将达到500亿元左右。

另外,航天飞行器、半导体器件、核电站、风力发电机组、太阳能光伏发电及多晶硅生产等高新技术领域都需要大量的专业换热器。

展望板式换热的未来,它会在更广泛的领域大有作为[5]。

参考文献

[1]刘乾，刘阳子，高效节能换热器概述，中国天辰工程公司，天津，300400

[2]支浩，汤慧萍，朱纪磊，换热器的研究发展现状，西北有色金属研究院，陕西西安，710055

[3]黄庆军1，任俊超1，苏是2，黄蕾2，中国换热器产业现状及发展趋势，1四平市换热器协会，吉林四平，136000；2.太原科技大学机电学院，山西太原030024

[4]夏强，化工设备换热器的常见腐蚀与防腐，江苏省特种设备安全监督检验研究院，常熟分院，江苏常熟215500

[5]赵晓文1,苏俊林2,板式换热器的研究现状及进展,吉林大学热能工程系