1.2换热器研究与发展
1.2.1换热器发展历史
20世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。
以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。
30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。
接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。
30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。
在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。
60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。
此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。
70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。
20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。
各种新型高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展，私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标。
因而节能设备的研究与开发备受瞩目。
能源的日趋紧张，全球气温的不断升高，环境保护要求的提高给换热器及空冷式换热器及高温，高压换热器迎来了日益广阔的应用前景。
1.2.2换热器研究及发展动向
（1）物性模拟研究
换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。
因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。
实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的差别。
纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。
为此，要求物性模拟在试验手段上更加先进，测试的准确率更高。
从而使换热器计算更精确，材料更节省。
物性模拟将代表换热器的经济技术水平。
（2）分析设计的研究
分析设计是近代发展的一门新兴科学，美国ANSYS软件技术一直处于国际领先技术，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确，更便捷的手段。
在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能方便、便捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠。
这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。
将会逐步取代强度试验，摆脱实验室繁重的劳动强度。
（3）大型化及能耗研究
换热器将随着装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000m
，紧凑型换热器将越来越受欢迎。
板壳式换热器，折流杆换热器，板翅式换热器，板式空冷器将得到发展，振动损失将逐步克服，高温，高压，安全，可靠的换热器结构朝着结构简单，制造方便，重量轻发展。
随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型，高效的空冷器所取代。
保温绝热技术发展，热量损失将减少到目前的50％一下。
（4）强化技术研究
各种新型，高效换热器将逐步取代现有常规产品。
电场动力效应强化换热技术，添加物强化沸腾传热技术，通入惰性气体强化传热技术，添加物强化沸腾传热技术，微生物传热技术，磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。
同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、硫化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。
（5）新材料研究
材料将朝着强度高，制造工艺简单，防腐效果好，重量轻的方向发展。
随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，
钢材料将实现不预热和后热的方向发展。
（6）控制结垢及腐蚀的研究
国内污垢数据基本上是20世纪60～70年代从国外照搬而来。
四十年来，污垢研究技术发展缓慢。
随着节能，增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。
通过对污垢形成的机理，生长速度，影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破。
保证装置低能耗，长周期的运行，超声防垢技术将得到大力发展。
腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐涂层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术将成为主导。
1.2.3国外新型换热器技术走向
（1）螺旋折流板换热器
螺旋折流板换热器（图1.1）是最新发展起来的一种管壳式换热器,是由美国ABB公司提出的。
其基本原理为:
将圆截面的特制板安装在”拟螺旋折流系统”中,每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一,其倾角朝向换热器的轴线,即与换热器轴线保持一定倾斜度。
相邻折流板的周边相接,与外圆处成连续螺旋状。
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。
在气一水换热的情况下,传递相同热量时,该换热器可减少30%～40%的传热面积,节省材料20%～30%。
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、卡门涡街,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;基本不存在震动与传热死区,不易结垢。
对于低雷诺数下（Re<1000）的传热,螺旋折流板效果更为突出。
图1.1螺旋折流板换热器
（2）折流杆式换热器
20世纪70年代初,美国菲利浦公司为了解决天然气流动振动问题,将管壳式换热器中的折流板改成杆式支撑结构,开发出折流杆换热器。
研究表明,这种换热器（图1.2）不但能防振,而且传热系数高。
现在此种换热器广泛应用于单相沸腾和冷凝的各种工况。
在后来出现了一种外导流筒折流杆换热器,此种换热器能最大限度地消除管壳式换热器挡板的传热不活跃区,增加了单位体积设备的有效传热面积。
目前,所有的浮头式换热器均采用了外导流筒。
近些年,又出现了直扁钢条支撑方式和波浪型扁钢支撑结构等新型支撑结构的折流杆换热器。
这些新结构除了增加有效换热面积外,更主要的是提高了对管子震动的抑制作用。
图1.2折流杆式换热器示意图
（3）空心环管壳式换热器
空心环管壳式换热器（图1.3）是华南理工大学于发明的一种新型管壳式换热器。
空心环是由直径较小的钢管截成短节,均匀地分布于换热管管间的同一截面上,呈线性接触,在紧固装置螺栓力的作用下,使管束相对紧密固定。
从而支撑管束并促进流体扰动。
空心环支撑往往与强化管组合使用。
其特点是：
（1）壳程流阻低。
壳程轴向流道空隙率达80%的空心环管间支承物对纵向流体的形体阻力几乎可以忽略。
（2）传热膜系数高。
该种结构的换热器可充分发挥粗糙型强化传热管的强化传热性能,利用传热管的周向粗糙肋,促进纵向流体在传热界面上滞流层的湍流度,获得比普通光滑管界面高80%～100%的传热膜系数
图1.3空心环管式换热器示意图
（4）管子自支承式换热器
近年来,人们将壳程强化传热的两种主要途径综合起来考虑,利用管子形状的变化来达到相互支撑和强化传热双重功能。
目前主要有剌孔膜片式、螺旋扁管式和变截面管式几种形式。
剌孔膜片式的特点是刺孔膜片既是支撑元件,又是管壁的延伸,增大了单位体积内的有效传热面积；膜片上的毛刺和小孔增大了流体湍流度,各区间的流体经小孔实现一定程度的混合；刺和孔使换热表面的边界层不断更新,减薄了层流底层厚度,从而提高了换热系数;壳程流体纵向流动,压力降很小。
螺旋扁管是瑞典ALLARES公司推出的一种高效换热元件，螺旋扁管的结构特点是管子换热段的任一截面均为一长圆,当组装成换热器时可以混合管束,也可以是纯螺旋扁管。
螺旋扁管的截面类似于椭圆管,椭圆的长短轴比值根据换热管程和壳程的流速设计确定,当管程流量较低时,可增大长、短轴之比值。
减少流通截面以提高流速,使换热器两侧处于较理想的流动状态。
变截面管式（图1.4）是把普通圆管按一定节距压制出互成90度或互成60度的扁圆形截面,利用这种变截面管互相支撑并构成扰流元件。
这种换热器管子排列紧凑,减少了换热器的尺寸和质量,而且可实现管束间流体薄层流动。
其结构比较简单,且是双面强化管,但最大弱点是管内阻力太大。
图1.4变截面管示意图
（5）纵流管束换热器
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。
为了将弓形折流板支撑的横向流动尽可能地改为平行于管子的纵向流动，消除滞留死区。
近年来开发出了一些新型结构，例如矩形孔、梅花孔等异形孔的折流板结构（图1.5）。
这种折流板既能支承管子,又能让传热介质流过折流板,产生射流,从而消除了管子结垢和垢下腐蚀。
后来,德国GRIMMA公司制造的一种网状整圆形折流板换热器,传热效果优于传统的圆缺形折流板换热器,其结构为在折流板上开横排管孔,以4个孔为一组将管桥处铣通，壳侧流体在管桥处沿着轴向流动,避免了流体因转折引起的滞留区。
瑞典的WELL和GEE提出的针翅管，既能扩大传热面，又可造成流体的强烈扰动，极大地强化了传热，而且压降不大，可大大节省支承板材料，是当前国内外最先进的纵向流换热器。
图1.5
（6）热管换热器
热管是一种新型高效的传热元件。
热管是一个内部抽成真空并充以少量液体的密封管，具有高效的导热性能。
在工作时热流体通过热管的一端外表面，冷流体通过热管另一部分。
籍助于管内工质的潜热变化而进行冷热流体间的换热。
由于是潜热的变化，具有相当高的导热能力，其当量导热系数为铜、银等金属导热系数的几百倍。
在20世纪60年代首先被应用于宇航技术中，后来在电子、机械、化工和石油等行业也有了广泛的应用。
热管换热器在国外已系列化生产。
而我国经过20多年努力先后开发了气、气热管换热器、热管蒸汽发生器和高温热管，并在石油、化工、冶金、动力以及水泥等行业得到了广泛的应用，取得了良好的效果。
（7）新型麻花管换热器
瑞典Alares公司开发了一种扁管换热器，通常称为麻花管换热器。
美国休斯顿的布朗公司做了改进。
螺旋扁管的制造过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。
改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单，但有许多激动人心的进步，它获得了如下的技术经济效益：
改进了传热，减少了结垢，真正的逆流，降低了成本，无振动，节省了空间，无折流元件。
由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动，促进了湍流程度。
该换热器总传热系数较常规换热器高40%，而压力降几乎相等。
组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。
该换热器严格按照ASME标准制造。
凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代。
它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的最佳值。
估计在化工、石油化工行业中具有广阔的应用前景。
（8）非钎焊绕丝筋管螺旋管式换热器
在管子上缠绕金属丝作为筋条（翅片）的螺旋管式换热器（TA），一般都是采用焊接方法将金属丝固定在管子上。
但这种方法对整个设备的质量有一系列的影响，因为钎焊法必将从换热中“扣除”很大一部分管子和金属丝的表面。
更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎会造成机器和设备堵塞，随之提前报损。
俄罗斯推荐一种新方法制造绕丝筋管，即借助在管子上缠绕和拉紧金属丝时产生的机械接触来固定筋条。
采用此法能促进得到钎焊时的连续特性（即将金属丝可靠地固定在管子上，而管子的截面又不过分压紧），故对于金属丝仅用做隔断时，可以认为是较钎焊更受欢迎的方法。
但若利用金属丝作为筋条（翅片）以增加换热面积时，只有当非钎焊筋条的有效传热面不小于钎焊连接时，才应更偏重于此方法。
试验表明，当金属丝与管子为线性接触时，有效传热面最大，但此时金属丝会沿管子滑动。
所以关键是要选取最佳的接触宽度，也就是绕丝时管子变形留下的痕迹的宽度。
这样，非钎焊时的有效传热面要比钎焊时大。
第2章管壳式换热器
2.1管壳式换热器结构
管壳式（如图2.1）换热器是最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。
图2.1
管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。
换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。
等边三角形排，列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列，管壳式换热器则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。
在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。
折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加。
常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛.。
流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。
为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组。
这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程。
同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间,称多壳程。
在管壳式换热器内,由于管内外流体温度不同,壳体和管束的温度也不同。
如两者温差很大,换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱。
因此,当管束和壳体温度差超过50℃时,应采取适当的温差补偿措施,消除或减小热应力。
2.2管壳式换热器类型
（1）固定管板式换热器：
管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。
当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。
（2）浮头式换热器：
管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。
浮头式换热器的应用较广，但结构比较复杂，造价较高。
（3）U型管换热器：
每根换热管皆弯成U形，两端分别固定在同一管板上下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。
此种换热器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。
2.3换热器的安装、使用及维护
2.3.1换热器的安装
安装换热器的基础必须足以使换热器不发生下沉，或使管道把过大的变形传到换热器的接管上。
基础方法一般分为两种：
一种为砖砌的鞍形基础，换热器上没有鞍式支座而直接放在鞍形基础上，换热器与基础不加固定，可以随着热膨胀的需要而自由移动。
另一种为混凝土基础，换热器通过鞍式支座由地脚螺栓将其与基础牢固地连接起来。
在安装换热器之前应严格地进行基础质量的检查和验收工作，主要项目如下：
基础表面概况；基础标高、平面位置、形状和主要尺寸以及预留孔是否符合设计要求；地脚螺栓的位置是否正确，螺纹情况是否良好，螺帽和垫圈是否齐全；放置垫铁的基础表面是否平整等。
基础验收完毕后，在安装换热器之前应在基础上放垫铁，安放垫铁处的基础表面必须铲平，使两者能很好接触。
垫铁厚度可以调整，使换热器能达到设计的水平度和标高。
垫铁放置后可增加换热器在基础上的稳定性，并将其重量通过垫铁均匀地传递到基础上去。
垫铁可分为平垫铁、斜垫铁和开口垫铁。
其中，斜垫铁必须成对使用。
地脚螺栓两侧均应有垫铁，垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。
换热器就位后需用水平仪对换热器找平，这样可使各接管都能在不受力的情况下连接管道。
找平后，斜垫铁可与支座焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。
当两个以上重叠式换热器安装时，应在下部换热器找正完毕，并用地脚螺栓充分固定后，再安装上部换热器。
可抽管束换热器安装前应抽芯检查、清扫，抽管束时应注意保护密封面和折流板。
移动和起吊管束时应将管束放置在专用的支承结构上，以避免损伤换热管。
根据换热器的结构形式，应在换热器的两端留有足够的空间来满足操作、清洗、维修的需要。
浮头式换热器的固定头盖端应留出足够的空间以便能从壳体内抽出管束，外头盖端必须也留出足够的空间以便能从壳体内抽出管束，外头盖端必须也留出一米以上的位置以便装拆外头盖和浮头盖。
固定管板式换热器的两端应留出足够的空间以便能抽出和更换管子。
并且，用机械法清洗管内时，两端都可对管子进行刷洗操作。
U形管式换热器的固定头盖应留出足够的空间以便能拆卸壳体。
2.3.2换热器的清洗
换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行。
应经常对管、壳程介质的温度及压降进行监督，分析换热器的泄漏和结垢情况。
管壳式换热器就是利用管子使其内外的物料进行热交换、冷却、冷凝、加热及蒸发等过程，与其它设备相比较，其与腐蚀介质接触的表面积就显得非常大，发生腐蚀穿孔及接合处松弛泄漏的危险性很高，因此对换热器的防腐蚀和防漏的方法也比其它设备要多加考虑。
当换热器用蒸汽来加热或用冷水来冷却时，水中的溶解物在加热后，大部分溶解度都会有所提高，而硫酸钙类型的物质则几乎没有变化。
冷却水经常循环使用，由于水的蒸发，使盐类浓缩，产生沉积或污垢。
又因水中含有腐蚀性溶解气体及氯离子等引起设备腐蚀，腐蚀与结垢交替进行，激化了钢材的腐蚀。
因此，必须通过清洗来改善换热器的性能。
由于清洗的因难程度是随着垢层厚度或沉积物的增加而迅速增大的，所以清洗间隔时间不宜过长，应根据生产装置的特点、换热介质的性质、腐蚀速度及运行周期等情况定期进行检查、修理及清洗。
换热器的清洗可用机械法或化学法，应根据清洗的场所、范围、除垢难易程度、垢的性质来决定。
凡不溶于酸碱和溶剂的污垢宜采用机械法。
化学法适用于形状复杂的换热器的清洗，缺点是对金属多少有些腐蚀作用。
下面介绍几种常用的清洗方法。
（1）机械清洗
喷水清洗：
用高压水喷射或机械冲击的除垢方法。
采用这种方法对化学法不能除去的碳化物污垢或硬质垢的清除是有效的，但清洗换热器时需将设备解体，所以适用于清洗浮头换热器或U形管换热器的管间部分，对固定管板换热器壳程就不能清洗了。
其优点是钢材损耗微小。
喷砂清洗：
将经筛分的石英砂粒用压缩空气通过喷枪产生强大的线速度，冲刷换热器内壁，将污垢冲掉。
砂粒要求硬度高，粒度形状复杂，颗粒均匀。
喷丸清洗：
由海绵球和将球推进需清洗的管内的流体喷枪组成。
其优点是费用低廉、效率高。
不仅用于直管且可用于蛇管、T形管、弯管等，适用范围较广。
方法是在管的一端装入海绵球，接上喷枪，拧紧，开喷枪的阀门，即可射出压力流体。
由于流体压力，将球推入管内，球受流体的反压力，借助海绵体的弹力，对管内壁施加挤压力。
由于反压力，此挤压力增大，能很好地削掉污垢。
且从球和管内壁间隙出来的流体以射流喷出，研削效果很好。
同时污垢沿前方排出，具有机械研削和喷射清洗的优点。
海绵橡胶球连续清管法：
连续操作的自动化清洗，在冷却水系统中装入海绵橡胶球，平均每5min通过一个橡胶球，其直径略大于管径，因此能有效地擦去管子表面的沉积物或污垢。
其优点是减少了由于结垢、腐蚀、渗漏或堵塞所造成的无计划停工。
冷却水管的连续清洗可以大大减少水的化学处理，可省去手工或其它机械清洗的费用，创造了良好的清洗条件，延长了设备寿命。
钢丝刷子清洗：
用一根圆棒或管子，一端焊上与管子内径相同的圆形钢丝刷，一边旋转一边推进。
如果是不锈钢管则不能用钢丝刷而用尼龙刷。
用圆管比圆棒更有优越性，因为圆管向前推进时，污垢可以从管子中退出。
否则圆棒向前进，污垢也向前进，愈积愈多，以致愈通愈因难。
这种方法花费很大劳动力，但还是常用的清洗换热器管内的方法。
刮刀或钻头除垢：
在挠性旋转轴的顶端安装刮刀或钻头以除去污垢。
旋转动力多用压缩空气或电力，也有使用水力或蒸汽的。
一般是将驱动机构设在外边，通过旋转轴将动力传给刀具。
旋转轴是挠性的，因此是弯管也能在里面灵活转动。
但该法只适用于除去管子或圆筒里面的污垢。
（2）化学清洗
酸洗：
酸洗是换热器化学清洗的主要方法，可溶解氧化铁、硬质污垢和其它金属氧化物。
这要求对清除的沉积物性质和有关设备的构造成材料有所一解，来确定酸类。
清除锈垢要用合适的酸、防凝剂及作辅助用的还原剂、二氧化硅溶解剂湿润剂铜钝化剂。
清除氧化铁、钙或镁最有效的酸是盐酸。
大部分用稀释酸如处理钢管可用12%的盐酸。
柠檬酸效率最差，但如只有少量腐蚀产物也可使用。
对奥氏体钢，如拆开有关部件有困难，可用盐酸。
如主要部件由不锈钢制造则不许用盐酸。
盐酸加入氧化物，对铁的溶解可稍有利，而对含硅的物料溶解大为有利。
因此如含有硅沉淀物可推荐使用。
柠檬酸加氟化物可改进氧化铁的溶解速率。
碱洗：
换热器在某些特定情况下也可用碱洗。
有两种方法：
一种为单独采用碱性洗涤剂进行碱洗，目的在于除去能溶解于碱性溶液中的污垢。
另一种是在酸洗或其它方法进行清洗之后，用碱性进行中和钝化，清洗新设备、软化硬质污垢和氧化硅时可采用碱洗的方法，常用的洗涤剂为苛性钠、碳酸钠、磷酸钠、中和钝化溶液及甲烷等。
在污垢中，当含铜非常多时，可在氨液中加入铜溶解剂，用于除去铜垢。
溶剂清洗：
溶剂清洗是为了清除石油化工和石油装置中换热器的有机污垢和含油质的污垢，油垢含有较多的钢材产物氧化铁类。
使用有机溶剂掺表面活化剂和碱或用酸把有机溶剂和界面活性剂混合制成乳剂，对油和无机质
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